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数学
题目

求由方程 arctan (y)/(x) = ln sqrt(x^2 + y^2) 确定的隐函数 y = y(x) 的导数.

求由方程 $\arctan \frac{y}{x} = \ln \sqrt{x^2 + y^2}$ 确定的隐函数 $y = y(x)$ 的导数.

题目解答

答案

我们要求由方程
$\arctan \frac{y}{x} = \ln \sqrt{x^2 + y^2}$
所确定的隐函数 $ y = y(x) $ 的导数 $ \frac{dy}{dx} $。

第一步:化简原方程

原方程为:
$\arctan \frac{y}{x} = \ln \sqrt{x^2 + y^2}$

注意到右边可以化简:
$\ln \sqrt{x^2 + y^2} = \ln (x^2 + y^2)^{1/2} = \frac{1}{2} \ln (x^2 + y^2)$

所以方程变为:
$\arctan \frac{y}{x} = \frac{1}{2} \ln (x^2 + y^2)$

第二步:两边对 $ x $ 求导(隐函数求导)

我们将方程两边对 $ x $ 求导,注意 $ y $ 是 $ x $ 的函数,即 $ y = y(x) $,所以要用链式法则。

左边:
$\frac{d}{dx} \left( \arctan \frac{y}{x} \right)$

设 $ u = \frac{y}{x} $,则
$\frac{d}{dx} \arctan u = \frac{1}{1 + u^2} \cdot \frac{du}{dx}$

计算 $ \frac{du}{dx} = \frac{d}{dx} \left( \frac{y}{x} \right) $,用商法则:
$\frac{du}{dx} = \frac{y' \cdot x - y \cdot 1}{x^2} = \frac{x y' - y}{x^2}$

而 $ u = \frac{y}{x} $,所以 $ u^2 = \frac{y^2}{x^2} $,于是:
$1 + u^2 = 1 + \frac{y^2}{x^2} = \frac{x^2 + y^2}{x^2}$

因此左边导数为:
$\frac{1}{1 + \left( \frac{y}{x} \right)^2} \cdot \frac{x y' - y}{x^2} = \frac{1}{\frac{x^2 + y^2}{x^2}} \cdot \frac{x y' - y}{x^2} = \frac{x^2}{x^2 + y^2} \cdot \frac{x y' - y}{x^2} = \frac{x y' - y}{x^2 + y^2}$

右边:
$\frac{d}{dx} \left( \frac{1}{2} \ln (x^2 + y^2) \right) = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{x^2 + y^2} \cdot \frac{d}{dx}(x^2 + y^2)$

计算导数:
$\frac{d}{dx}(x^2 + y^2) = 2x + 2y y'$

所以右边导数为:
$\frac{1}{2} \cdot \frac{2x + 2y y'}{x^2 + y^2} = \frac{x + y y'}{x^2 + y^2}$

第三步:令左右两边导数相等

我们有:
$\frac{x y' - y}{x^2 + y^2} = \frac{x + y y'}{x^2 + y^2}$

因为分母相同且 $ x^2 + y^2 \ne 0 $(否则原式无定义),可以消去分母:
$x y' - y = x + y y'$

把所有含 $ y' $ 的项移到一边,其余移到另一边:
$x y' - y y' = x + y$

提取公因式:
$y'(x - y) = x + y$

解出 $ y' $:
$y' = \frac{x + y}{x - y}$

最终答案:

$\boxed{\frac{dy}{dx} = \frac{x + y}{x - y}}$

这就是由方程 $ \arctan \frac{y}{x} = \ln \sqrt{x^2 + y^2} $ 确定的隐函数的导数。

解析

考查要点:本题主要考查隐函数求导法的应用,涉及反三角函数与对数函数的复合函数求导,以及代数运算能力。

解题核心思路:

  1. 化简原方程:将右边的对数表达式简化,降低后续求导复杂度。
  2. 隐函数求导:对等式两边同时关于$x$求导,注意使用链式法则和商的导数法则。
  3. 解关于$y'$的方程:通过移项、合并同类项,最终解出$\frac{dy}{dx}$。

破题关键点:

  • 化简右边:利用对数性质将$\ln \sqrt{x^2 + y^2}$转化为$\frac{1}{2}\ln(x^2 + y^2)$。
  • 正确应用导数法则:特别注意$\arctan\left(\frac{y}{x}\right)$的导数形式及商法则的应用。
  • 代数变形:消去分母后整理方程,提取公因式,最终解出$y'$。

第一步:化简原方程
原方程右边可化简为:
$\ln \sqrt{x^2 + y^2} = \frac{1}{2} \ln(x^2 + y^2)$
因此原方程变为:
$\arctan\left(\frac{y}{x}\right) = \frac{1}{2} \ln(x^2 + y^2)$

第二步:对两边关于$x$求导

左边求导

设$u = \frac{y}{x}$,则:
$\frac{d}{dx} \left( \arctan u \right) = \frac{1}{1 + u^2} \cdot \frac{du}{dx}$
计算$\frac{du}{dx}$(商法则):
$\frac{du}{dx} = \frac{x y' - y}{x^2}$
代入$u = \frac{y}{x}$,得左边导数为:
$\frac{1}{1 + \left(\frac{y}{x}\right)^2} \cdot \frac{x y' - y}{x^2} = \frac{x y' - y}{x^2 + y^2}$

右边求导

对$\frac{1}{2} \ln(x^2 + y^2)$求导:
$\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{x^2 + y^2} \cdot (2x + 2y y') = \frac{x + y y'}{x^2 + y^2}$

第三步:联立方程并解出$y'$
令两边导数相等:
$\frac{x y' - y}{x^2 + y^2} = \frac{x + y y'}{x^2 + y^2}$
消去分母后整理得:
$x y' - y = x + y y'$
移项并提取公因式:
$y'(x - y) = x + y \quad \Rightarrow \quad y' = \frac{x + y}{x - y}$

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