1.4 – Parametric Equations
Some functions may be implicitly defined in terms of both x and y . For example, a circle around the origin ( 0 , 0 ) with radius 1 may be written as x 2 + y 2 = 1 . In order to find the rate of change of the circle at x = 0.5 , we must use implicit differentiation.
To differentiate x 2 + y 2 = 2 with respect to x , we first take the derivative of both sides.
d x d x 2 + d x d y 2 = d x d 2
By the chain rule , d x d y 2 = 2 y d x d y .
2 x + 2 y d x d y = 0
The last step is to solve for d x d y .
d x d y = − 2 y 2 x = − y x
To find the derivative at x = 0.5 :
0. 5 2 + y 2 = 1 ⇒ y = ± 0.866
Since this circle crosses each point on the x-axis at two y-values, there are two slopes at x = 0.5 .
d x d y = − y x ∣ ( 0.5 , ± 0.866 )
= ± 0.577
Implicit differentiation may also be used to find the second derivative (and all higher-order derivatives).
The Second Derivative of x^2+y^2=r^2
We start by finding the first derivative:
2 x + 2 y y ′ = 0
y ′ = 2 y − 2 x = − y x
We then differentiate 2 x + 2 y y ′ = 0 .
1 + y ′ y ′ + y y ′′ = 1 + ( y ′ ) 2 + y y ′′ = 0
The first derivative can be substituted in.
1 + ( − y x ) 2 + y y ′′ = 0
y ′′ can then be isolated.
y ′′ = y − y 2 x 2 − 1
= − y 3 x 2 − y 1
= − y 3 ( x 2 + y 2 )
= − y 3 r 2
Examples
Find y ′ for x 2 y + x y 2 = 6
[ 2 x y + x 2 y ′ ] + [ y 2 + x ⋅ 2 y y ′ ] = 0
x 2 y ′ + 2 x y y ′ = − 2 x y − y 2
y ′ ( x 2 + 2 x y ) = − ( 2 x y + y 2 )
y ′ = − 2 x y + x 2 ( 2 x y + y 2 )
Find y ′ for y 2 = x + 1 x − 1
2 y y ′ = ( x + 1 ) 2 ( x − 1 ) ′ ( x + 1 ) − ( x − 1 ) ( x + 1 ) ′
2 y y ′ = ( x + 1 ) 2 ( x + 1 ) − ( x − 1 )
2 y y ′ = ( x + 1 ) 2 2
y ′ = y ( x + 1 ) 2 1
Find y ′ for x = sin y
1 = cos ( y ) y ′
y ′ = cos ( y ) 1
Find y ′′ for y 2 + 2 y = 2 x + 1
2 y y ′ + 2 y ′ = 2
y y ′ + y ′ = 1
y ′ ( y + 1 ) = 1
y ′ = y + 1 1
y ′ y ′ + y y ′′ + y ′′ = 0
y ′′ ( y + 1 ) = − ( y ′ ) 2
y ′′ = − y + 1 ( y ′ ) 2
y ′′ = − y + 1 ( y + 1 1 ) 2
y ′′ = − ( y + 1 ) 3 1
Find y ′ for x 2 y 2 − 5 x 2 y + x = 1
[( 2 x ) ( y 2 ) + ( x 2 ) ( 2 y y ′ )] − 5 [( 2 x ) ( y ) + ( x 2 ) ( y ′ )] + 1 = 0
2 x y 2 + 2 x 2 y y ′ − 10 x y − 5 x 2 y ′ = − 1
2 x 2 y y ′ − 5 x 2 y ′ = − 1 − 2 x y 2 + 10 x y
y ′ = 2 x 2 y − 5 x 2 10 x y − 2 x y 2 − 1
Find y ′ for sin ( x 2 y 2 ) = x
cos ( x 2 y 2 ) [( 2 x ) ( y 2 ) + ( x 2 ) ( 2 y y ′ )] = 1
cos ( x 2 y 2 ) [ 2 x y 2 + 2 x 2 y y ′ ] = 1
2 x y 2 + 2 x 2 y y ′ = cos ( x 2 y 2 ) 1
2 x 2 y y ′ = cos ( x 2 y 2 ) 1 − 2 x y 2
y ′ = 2 x 2 y cos ( x 2 y 2 ) 1 − 2 x 2 y 2 x y 2
= 2 x 2 y cos ( x 2 y 2 ) 1 − x y
Find y ′ for x y = 8 in two ways
Product rule:
y + x y ′ = 8
x y ′ = 8 − y
y ′ = x 8 − y
Isolating y :
y = x 8
y ′ = 8 d x d x − 1
y ′ = − 8 x − 2 = − x 2 8