若 y=tan⁡−1x2−1y = \tan^{-1} \sqrt{x^2 - 1},求用 xx 表示的 dydx\frac{\text{d}y}{\text{d}x} 的表达式。 已知对于 x>0x > 0,y=xcos⁡xy = x^{\cos x}。通过先取对数,求用 xx 表示的 dydx\frac{\text{d}y}{\text{d}x} 的表达式。

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完整解法

1(a)

1. Apply the chain rule to differentiate the inverse tangent function.

dydx=11+(x2−1)2⋅ddx(x2−1)\frac{\text{d}y}{\text{d}x} = \frac{1}{1 + (\sqrt{x^2 - 1})^2} \cdot \frac{\text{d}}{\text{d}x}(\sqrt{x^2 - 1})

2. Differentiate the inner square root function.

ddx(x2−1)=12(x2−1)−12(2x)=xx2−1\frac{\text{d}}{\text{d}x}(\sqrt{x^2 - 1}) = \frac{1}{2}(x^2 - 1)^{-\frac{1}{2}}(2x) = \frac{x}{\sqrt{x^2 - 1}}

3. Simplify the expression to obtain the final derivative.

dydx=11+x2−1⋅xx2−1=1x2⋅xx2−1=1xx2−1\frac{\text{d}y}{\text{d}x} = \frac{1}{1 + x^2 - 1} \cdot \frac{x}{\sqrt{x^2 - 1}} = \frac{1}{x^2} \cdot \frac{x}{\sqrt{x^2 - 1}} = \frac{1}{x\sqrt{x^2 - 1}}

答案

1xx2−1\frac{1}{x\sqrt{x^2 - 1}}

1(b)

1. Take the natural logarithm of both sides and apply logarithm properties to simplify.

ln⁡y=ln⁡(xcos⁡x)=cos⁡xln⁡x\ln y = \ln(x^{\cos x}) = \cos x \ln x

2. Differentiate both sides with respect to $x$ using implicit differentiation and the product rule.

1ydydx=cos⁡x⋅1x+(−sin⁡x)ln⁡x\frac{1}{y} \frac{\text{d}y}{\text{d}x} = \cos x \cdot \frac{1}{x} + (-\sin x) \ln x
1ydydx=cos⁡xx−sin⁡xln⁡x\frac{1}{y} \frac{\text{d}y}{\text{d}x} = \frac{\cos x}{x} - \sin x \ln x

3. Make $\frac{\text{d}y}{\text{d}x}$ the subject and express it purely in terms of $x$ by substituting $y = x^{\cos x}$.

dydx=y(cos⁡xx−sin⁡xln⁡x)\frac{\text{d}y}{\text{d}x} = y \left( \frac{\cos x}{x} - \sin x \ln x \right)
dydx=xcos⁡x(cos⁡xx−sin⁡xln⁡x)\frac{\text{d}y}{\text{d}x} = x^{\cos x} \left( \frac{\cos x}{x} - \sin x \ln x \right)

答案

xcos⁡x(cos⁡xx−sin⁡xln⁡x)x^{\cos x} \left( \frac{\cos x}{x} - \sin x \ln x \right)

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