y = f(x)的反函数的一阶导和二阶导的求解过程

  1. 求反函数的一阶导数
    y = f ( x ) y = f(x) y=f(x),则反函数 x = f − 1 ( y ) x = f^{-1}(y) x=f1(y) 的一阶导数为:
    d x d y = 1 d y d x = 1 f ′ ( x ) \frac{dx}{dy} = \frac{1}{\frac{dy}{dx}} = \frac{1}{f'(x)} dydx=dxdy1=f(x)1
    这里 f ′ ( x ) f'(x) f(x) f ( x ) f(x) f(x) 的一阶导数。

  1. 求反函数的二阶导数
    d x d y \frac{dx}{dy} dydx 再求一次导数。设 g ( y ) = f − 1 ( y ) g(y) = f^{-1}(y) g(y)=f1(y),则 g ′ ( y ) = d x d y g'(y) = \frac{dx}{dy} g(y)=dydx。我们要求 g ′ ′ ( y ) g''(y) g′′(y),即 d 2 x d y 2 \frac{d^2x}{dy^2} dy2d2x

    使用链式法则,我们有:
    d 2 x d y 2 = d d y ( d x d y ) \frac{d^2x}{dy^2} = \frac{d}{dy} \left( \frac{dx}{dy} \right) dy2d2x=dyd(dydx)
    d x d y \frac{dx}{dy} dydx 代入,得到:
    d 2 x d y 2 = d d y ( 1 f ′ ( x ) ) \frac{d^2x}{dy^2} = \frac{d}{dy} \left( \frac{1}{f'(x)} \right) dy2d2x=dyd(f(x)1)
    这里 x = f − 1 ( y ) x = f^{-1}(y) x=f1(y),所以需要对 1 f ′ ( x ) \frac{1}{f'(x)} f(x)1 求导。使用链式法则有:
    d d y ( 1 f ′ ( x ) ) = d d x ( 1 f ′ ( x ) ) ⋅ d x d y \frac{d}{dy} \left( \frac{1}{f'(x)} \right) = \frac{d}{dx} \left( \frac{1}{f'(x)} \right) \cdot \frac{dx}{dy} dyd(f(x)1)=dxd(f(x)1)dydx
    计算 d d x ( 1 f ′ ( x ) ) \frac{d}{dx} \left( \frac{1}{f'(x)} \right) dxd(f(x)1)
    d d x ( 1 f ′ ( x ) ) = − f ′ ′ ( x ) ( f ′ ( x ) ) 2 \frac{d}{dx} \left( \frac{1}{f'(x)} \right) = -\frac{f''(x)}{(f'(x))^2} dxd(f(x)1)=(f(x))2f′′(x)
    因此:
    d 2 x d y 2 = − f ′ ′ ( x ) ( f ′ ( x ) ) 2 ⋅ 1 f ′ ( x ) \frac{d^2x}{dy^2} = -\frac{f''(x)}{(f'(x))^2} \cdot \frac{1}{f'(x)} dy2d2x=(f(x))2f′′(x)f(x)1
    简化后得到:
    d 2 x d y 2 = − f ′ ′ ( x ) ( f ′ ( x ) ) 3 \frac{d^2x}{dy^2} = -\frac{f''(x)}{(f'(x))^3} dy2d2x=(f(x))3f′′(x)


  1. 总结
    反函数 x = f − 1 ( y ) x = f^{-1}(y) x=f1(y) 的二阶导数为:
    d 2 x d y 2 = − f ′ ′ ( f − 1 ( y ) ) ( f ′ ( f − 1 ( y ) ) ) 3 \frac{d^2x}{dy^2} = -\frac{f''(f^{-1}(y))}{(f'(f^{-1}(y)))^3} dy2d2x=(f(f1(y)))3f′′(f1(y))

反函数的二阶导数依赖于原函数的二阶导数和一阶导数的立方,需要注意 f ′ ( f − 1 ( y ) ) ≠ 0 f'(f^{-1}(y)) \neq 0 f(f1(y))=0,以确保分母不为零。


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