在線計算專題(03):具體、抽象函數的導數、微分與方向導數的計算

2021-01-14 考研競賽數學
1、一元、多元函數一階導數與導數值的計算

例1  計算以下函數的導數,並求在

輸入表達式為

d/dx((x^3)cos(5x^2+e^(2x))-ln(3x^3-2x))

執行後的結果如下圖所示.

結果不僅顯示導數結果,也給出了函數在不同範圍內的圖形. 輸入表達式也可以直接以更自然的語言描述形式輸入,比如輸入:

derivative of (x^3)cos(5x^2+e^(2x))-ln(3x^3-2x)

執行計算得到的結果一致.

在以上兩種輸入的表達式後面加上where x=1,比如輸入

derivative of (x^3)cos(5x^2+e^(2x))-ln(3x^3-2x) where x=1

執行計算後即得到導數值為

例2  計算以下函數的一階偏導數和在

關於

d/dx(a sin(x^3+y^2)-(x+y^(1/2))^(1/2))

執行後的結果為

結果除了最上面給出導數結果之外,在下面還以不同的形式給出了導數結果描述. 另外給出了二元函數的定義域與關於

在以上表達式後面加上where (x,y)=(1,1),即可得該點處的偏導數值. 即輸入

d/dx(a sin(x^3+y^2)-(x+y^(1/2))^(1/2)) where (x,y)=(1,1)

執行計算後得到導數值為

關於

d/dy(a sin(x^3+y^2)-(x+y^(1/2))^(1/2))

執行後的結果除了導數結果不同外,其餘顯示內容基本一致. 其中在

【注】  以上求導變量也可以指定

d/da(a sin(x^3+y^2)-(x+y^(1/2))^(1/2))

則計算結果為

2、一元、多元函數高階導數的計算

例1  計算以下函數的50階導數:

輸入表達式為

執行後的結果顯示為

例2  求以下函數關於

輸入表達式為

d^3/dx^3 d^2/dy^2 ((x^2+y^2)e^(x+y))

執行後顯示結果.  結果除了顯示偏導數外,還會顯示結果曲面圖、等值線圖,可能的其他表達形式以及方程的根分布情況,級數展開形式,不定積分及誒過與極小值點與極小值等信息,如下圖.

3、抽象複合函數的一階、高階導數計算

將上面具體函數求導的函數表達式換成抽象函數即可.

例1  計算下列函數的一階、二階導數:

輸入表達式為

d/dx (x^2)f(3x+4cosx), d^2/dx^2 (x^2)f(3x+4cosx)

執行後的結果為

由於除了

例2  計算以下函數的導數

輸入表達式為

d^2/dx^2 f(x y, x^2-y^2), d/dx d/dy f(x y, x^2-y^2)

執行後的結果為

4、全微分的計算

由於一元函數的微分就是導數乘以自變量微分

即完全可以直接歸結為導數的計算,下面僅僅介紹多元函數全微分的計算方法.

例  計算以下函數的全微分:

直接輸入表達式為

derivative of a sin(x^3+y^2)-(x+y^(1/2))^(1/2)

自動識別變量為

其中derivative可以替換為differential. 也可以直接基於Wolfram語言,也即Mathematica中的命令來執行計算,比如輸入表達式

Dt(a sin(x^3+y^2)-(x+y^(1/2))^(1/2))

則將表達式中的符號都識別為變量符號,執行計算得到全微分表達式. 如下圖.

只要令結果表達式中不是變量的符號,比如這裡a它的微分令為0,即

5、方向導數的計算

例1  計算以下函數指定方向的方向導數:

輸入表達式為

derivative of x e^(2y)+cos(x y) in the direction (3,-4)

執行後的結果顯示為

不僅給出了方向導數,也給出了函數的梯度向量.

例2  計算以下函數指定方向的方向導數:

輸入表達式為

derivative of f(x,y) in the direction (a,b)

執行後的結果顯示為

例3  計算以下函數指定方向和點處的方向導數:

輸入表達式為

derivative 3x^2+2y^2+z^2 in direction (-2,-2,1) at point (1,2,3)

執行後的結果顯示為

當然以上計算也可以直接依據求偏導數與方向導數計算公式,逐步計算代入得到結果.

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