题目
设 y = y(x) 由参数方程 x = t - sin t,y = 1 - cos t 确定,则 (d^2 y)/(dx^2) = ( )
设 $y = y(x)$ 由参数方程 $x = t - \sin t$,$y = 1 - \cos t$ 确定,则 $\frac{d^2 y}{dx^2} = ($ $)$
题目解答
答案
解题过程:
- 求一阶导数 $\frac{dy}{dx}$:
$\frac{dy}{dx} = \frac{\sin t}{1 - \cos t}$ - 求 $\frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)$:
$\frac{d}{dt}\left(\frac{\sin t}{1 - \cos t}\right) = -\frac{1}{1 - \cos t}$ - 求 $\frac{dt}{dx}$:
$\frac{dt}{dx} = \frac{1}{1 - \cos t}$ - 计算二阶导数 $\frac{d^2y}{dx^2}$:
$\frac{d^2y}{dx^2} = -\frac{1}{(1 - \cos t)^2}$
答案: $\boxed{-\frac{1}{(1 - \cos t)^2}}$,对应选项C。
解析
本题考查参数方程求二阶导数的知识。解题思路是先分别求出$\frac{dy}{dt}$、$\frac{dx}{dt}$,进而得到$\frac{dy}{dx}$,再对$\frac{dy}{dx}$关于$t$求导,同时求出$\frac{dt}{dx}$,最后将两者相除得到$\frac{d^2y}{dx^2}$。
- 求$\frac{dy}{dt}$和$\frac{dx}{dt}$:
- 对$y = 1 - \cos t$关于$t$求导,根据求导公式$(\cos t)^\prime=-\sin t$可得$\frac{dy}{dt}=\sin t$。
- 对$x = t - \sin t$关于$t$求导,根据求导公式$(t)^\prime = 1$,$(\sin t)^\prime=\cos t$可得$\frac{dx}{dt}=1 - \cos t$。
- 求$\frac{dy}{dx}$:
- 根据复合函数求导法则$\frac{dy}{dx}=\frac{\frac{dy}{dt}}{\frac{dx}{dt}}$,将$\frac{dy}{dt}=\sin t$,$\frac{dx}{dt}=1 - \cos t$代入可得$\frac{dy}{dx}=\frac{\sin t}{1 - \cos t}$。
- 求$\frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)$:
- 对$\frac{dy}{dx}=\frac{\sin t}{1 - \cos t}$关于$t$求导,根据除法求导公式$(\frac{u}{v})^\prime=\frac{u^\prime v - uv^\prime}{v^2}$,其中$u = \sin t$,$u^\prime=\cos t$,$v = 1 - \cos t$,$v^\prime=\sin t$可得:
$\begin{align*}\frac{d}{dt}\left(\frac{\sin t}{1 - \cos t}\right)&=\frac{\cos t(1 - \cos t) - \sin t\sin t}{(1 - \cos t)^2}\\&=\frac{\cos t - \cos^2t - \sin^2t}{(1 - \cos t)^2}\\&=\frac{\cos t - (\cos^2t + \sin^2t)}{(1 - \cos t)^2}\\&=\frac{\cos t - 1}{(1 - \cos t)^2}\\&=-\frac{1}{1 - \cos t}\end{align*}$
- 对$\frac{dy}{dx}=\frac{\sin t}{1 - \cos t}$关于$t$求导,根据除法求导公式$(\frac{u}{v})^\prime=\frac{u^\prime v - uv^\prime}{v^2}$,其中$u = \sin t$,$u^\prime=\cos t$,$v = 1 - \cos t$,$v^\prime=\sin t$可得:
- 求$\frac{dt}{dx}$:
- 因为$\frac{dt}{dx}=\frac{1}{\frac{dx}{dt}}$,将$\frac{dx}{dt}=1 - \cos t$代入可得$\frac{dt}{dx}=\frac{1}{1 - \cos t}$。
- 求$\frac{d^2y}{dx^2}$:
- 根据复合函数求导法则$\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{\frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)}{\frac{dt}{dx}}$,将$\frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)=-\frac{1}{1 - \cos t}$,$\frac{dt}{dx}=\frac{1}{1 - \cos t}$代入可得:
$\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{-\frac{1}{1 - \cos t}}{\frac{1}{1 - \cos t}}=-\frac{1}{(1 - \cos t)^2}$
- 根据复合函数求导法则$\frac{d^2y}{dx^2}=\frac{\frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)}{\frac{dt}{dx}}$,将$\frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)=-\frac{1}{1 - \cos t}$,$\frac{dt}{dx}=\frac{1}{1 - \cos t}$代入可得: