[例3] 设可导函数 y=y(x) 由方程 sin x-(int )_(x)^yvarphi (u)du=0 确定,其中可导函数-|||-varphi (u)gt 0, 且 varphi (0)=varphi '(0)=1, 求y"(0),

题目解答
答案

解析
考查要点:本题主要考查隐函数求导、变上限积分求导法则以及高阶导数的计算。关键在于正确应用莱布尼茨积分法则,并处理复合函数求导中的链式法则。
解题思路:
- 确定初始条件:通过代入$x=0$,结合$\varphi(u) > 0$的性质,得出$y(0)=0$。
- 一阶导数求解:对原方程两边关于$x$求导,利用莱布尼茨法则处理积分项,代入初始条件求出$y'(0)$。
- 二阶导数求解:对一阶导数的方程再次求导,注意乘积法则和链式法则的应用,代入已知条件求出$y''(0)$。
破题关键:正确处理积分上下限为变量时的求导,以及高阶导数中复合函数的导数展开。
步骤1:确定初始条件$y(0)$
将$x=0$代入原方程$\sin x - \int_{x}^{y} \varphi(u) \, du = 0$,得:
$\sin 0 - \int_{0}^{y} \varphi(u) \, du = 0 \implies \int_{0}^{y} \varphi(u) \, du = 0.$
由于$\varphi(u) > 0$,积分结果为$0$当且仅当积分区间长度为$0$,即$y=0$。因此:
$y(0) = 0.$
步骤2:求一阶导数$y'(0)$
对原方程两边关于$x$求导:
$\cos x - \left[ \varphi(y) \cdot y' - \varphi(x) \right] = 0.$
将$x=0$,$y=0$代入,并利用$\varphi(0)=1$,得:
$\cos 0 - \left[ \varphi(0) \cdot y'(0) - \varphi(0) \right] = 0 \implies 1 - \left[ 1 \cdot y'(0) - 1 \right] = 0 \implies y'(0) = 2.$
步骤3:求二阶导数$y''(0)$
对一阶导数的方程再次求导:
$-\sin x - \left[ \varphi'(y) \cdot (y')^2 + \varphi(y) \cdot y'' - \varphi'(x) \right] = 0.$
将$x=0$,$y=0$,$y'=2$代入,并利用$\varphi(0)=1$,$\varphi'(0)=1$,得:
$-\sin 0 - \left[ 1 \cdot 2^2 + 1 \cdot y''(0) - 1 \right] = 0 \implies - \left[ 4 + y''(0) - 1 \right] = 0 \implies y''(0) = -3.$