【题目】#
设函数 z=z(x,y) 由方程 x2+y2+z2=3z 确定,且满足条件 z(1,1)=1。
(1) 验证在点 (1,1,1) 附近是否存在连续可微的隐函数 z=z(x,y),并求全微分 dz(1,1);
(2) 求 z 在点 (1,1) 处沿方向 l=(1,2) 的方向导数 ∂l∂z(1,1);
(3) 求 z 在点 (1,1) 处的最大方向导数,并指出该最大值对应的方向;
(4) (选做·链式法则升级)设 u=z⋅ex+y,其中 z 由上述方程确定,求 u 在点 (1,1) 处沿 x 轴正方向的方向导数。
【逐问解析】#
第 (1) 问:隐函数存在性 + 全微分#
思路分析:
- 方程确定了 z 是 x,y 的隐函数,但不能直接解出 z=f(x,y)(虽然是球面,但解出来带根号且要分上下半球)。
- 第一步:用隐函数存在定理验证”能不能求导”;
- 第二步:用公式法求 ∂x∂z,∂y∂z,再拼成全微分。
详细解答:
设 F(x,y,z)=x2+y2+z2−3z。
验证隐函数存在条件:
- F(x,y,z) 是多项式,显然在 R3 上连续可微(偏导数都连续);
- 代入点 (1,1,1):F(1,1,1)=1+1+1−3=0 ✓;
- 计算 Fz=2z−3,在 (1,1,1) 处:Fz(1,1,1)=2(1)−3=−1=0 ✓。
结论:由隐函数存在定理,在 (1,1,1) 的某邻域内唯一确定一个连续可微的函数 z=z(x,y),且 z(1,1)=1。
求全微分:
由公式:
∂x∂z=−FzFx=−2z−32x=3−2z2x
∂y∂z=−FzFy=−2z−32y=3−2z2y
代入 (x,y,z)=(1,1,1):
∂x∂z(1,1)=3−22=2,∂y∂z(1,1)=3−22=2
因此全微分为:
dz(1,1)=2dx+2dy
几何意义:在点 (1,1,1) 附近,z 对 x 和 y 的变化”敏感度”相同,都是每变 1 单位,z 变 2 单位。
第 (2) 问:方向导数#
思路分析:
- 方向导数的本质是”偏导数在某一方向上的投影”。
- 公式:∂l∂z=∂x∂zcosα+∂y∂zcosβ,其中 (cosα,cosβ) 是单位方向向量。
- 必须先把 l=(1,2) 单位化!
详细解答:
方向向量 l=(1,2),其模长 ∣l∣=12+22=5。
单位方向向量:
el=(51,52)
即 cosα=51,cosβ=52。
代入方向导数公式:
∂l∂z(1,1)=∂x∂z⋅51+∂y∂z⋅52=2⋅51+2⋅52=56
有理化后:
∂l∂z(1,1)=565
第 (3) 问:最大方向导数与梯度#
思路分析:
- 核心定理:函数在某点的最大方向导数 = 梯度向量的模 ∣∇z∣,且该最大值在梯度方向上取得。
- 梯度 ∇z=(∂x∂z,∂y∂z) 是方向导数取得最大值的方向。
详细解答:
在点 (1,1) 处,梯度为:
∇z(1,1)=(∂x∂z,∂y∂z)=(2,2)
最大方向导数:
max∂l∂z=∣∇z∣=22+22=8=22
对应方向为梯度方向,即向量 (2,2) 的方向,单位化后为:
emax=(21,21)
即与 x 轴正方向夹角 θ=45∘(或 4π)。
验证:沿 (1,1) 方向,cosα=cosβ=21,方向导数 =2⋅21+2⋅21=24=22,确实等于梯度模。
第 (4) 问:复合函数 + 方向导数(链式法则升级)#
思路分析:
- u=z⋅ex+y,其中 z 是 x,y 的隐函数。
- 求 u 沿 x 轴正方向的方向导数,即求 ∂x∂u(因为 x 轴正方向就是 i=(1,0),方向导数就是 ux)。
- 但注意:u 对 x 求偏导时,z 也是 x 的函数,必须用乘积法则 + 链式法则。
详细解答:
沿 x 轴正方向的方向导数即 ∂x∂u。
∂x∂u=∂x∂(z⋅ex+y)=∂x∂z⋅ex+y+z⋅ex+y⋅1
=ex+y(∂x∂z+z)
代入 (x,y,z)=(1,1,1),以及 ∂x∂z=2:
∂x∂u(1,1)=e2(2+1)=3e2
【变式思考】#
如果我把题目改成:求 z 在 (1,1) 处沿曲面 F=0 法向量方向的方向导数,你会做吗?
(提示:曲面 F=0 的法向量就是 ∇F=(Fx,Fy,Fz),但 z=z(x,y) 的梯度是二维的 (zx,zy),不要混淆!)
需要我针对这道综合题出一道姊妹题让你独立练习,或者把第 (4) 问扩展成求 u 的最大方向导数吗?