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以下是全部 9 道习题的详细解析,每题均包含思路分析与逐步解答。
第 1 题:求偏导数#
(1) z=x3y−y3x#
思路:把另一个变量视为常数,直接按一元函数求导。
∂x∂z=3x2y−y3,∂y∂z=x3−3y2x
(2) s=uvu2+v2#
思路:先拆分为 s=vu+uv,再分别求导。
∂u∂s=v1−u2v=u2vu2−v2∂v∂s=−v2u+u1=uv2v2−u2
(3) z=ln(xy)#
思路:复合函数,链式法则。令 u=ln(xy),则 z=u。
∂x∂z=2ln(xy)1⋅xy1⋅y=2xln(xy)1∂y∂z=2ln(xy)1⋅xy1⋅x=2yln(xy)1
(4) z=sin(xy)+cos2(xy)#
思路:分别对两项求导,第二项用复合函数法则。
∂x∂z=ycos(xy)+2cos(xy)⋅[−sin(xy)]⋅y=y[cos(xy)−sin(2xy)]∂y∂z=xcos(xy)+2cos(xy)⋅[−sin(xy)]⋅x=x[cos(xy)−sin(2xy)]注:2sinθcosθ=sin2θ,故 2cos(xy)sin(xy)=sin(2xy)。
(5) z=lntanyx#
思路:多层复合,逐层剥开:z=lnu, u=tanv, v=yx。
∂x∂z=tan(x/y)1⋅sec2yx⋅y1=ysin(2x/y)2∂y∂z=tan(x/y)1⋅sec2yx⋅(−y2x)=−y2sin(2x/y)2x
思路:幂指函数,取对数 lnz=yln(1+xy),再隐函数求导。
对 x 求偏导(视 y 为常数):
z1∂x∂z=y⋅1+xyy⇒∂x∂z=y2(1+xy)y−1对 y 求偏导(视 x 为常数,注意 y 既在底数又在指数):
z1∂y∂z=ln(1+xy)+y⋅1+xyx∂y∂z=(1+xy)y[ln(1+xy)+1+xyxy]
(7) u=xy/z第(7)题详解#
思路:幂指函数,取对数 lnu=zylnx。
∂x∂u=zyxzy−1∂y∂u=xy/z⋅z1lnx=zlnxxy/z∂z∂u=xy/z⋅(−z2y)lnx=−z2ylnxxy/z
(8) u=[arctan(x−y)]z#
思路:底数为 arctan(x−y),指数为 z,取对数 lnu=zln[arctan(x−y)]。
∂x∂u=z[arctan(x−y)]z−1⋅1+(x−y)21∂y∂u=z[arctan(x−y)]z−1⋅1+(x−y)2−1=−∂x∂u∂z∂u=[arctan(x−y)]zln[arctan(x−y)]
第 2 题:验证 l∂l∂T+g∂g∂T=0#
思路:先求两个一阶偏导,再代入验证。
T=2πgl=2π(gl)1/2∂l∂T=2π⋅21(gl)−1/2⋅g1=lgπ∂g∂T=2π⋅21(gl)−1/2⋅(−g2l)=−g3/2πl=−gπgl于是:
l∂l∂T=lgπl=πglg∂g∂T=−g3/2πgl=−πgl相加得 l∂l∂T+g∂g∂T=0。证毕。
第 3 题:验证 x2∂x∂z+y2∂y∂z=2z#
思路:指数函数求偏导,注意链式法则中的符号。
z=e−(x1+y1)∂x∂z=e−(x1+y1)⋅x21=x2z∂y∂z=e−(x1+y1)⋅y21=y2z因此:
x2∂x∂z+y2∂y∂z=x2⋅x2z+y2⋅y2z=z+z=2z证毕。
第 4 题:求 fx(x,1)#
f(x,y)=x+(y−1)arcsinyx思路:观察发现代入 y=1 后第二项系数 (y−1) 为 0,可直接先代入再求导,避免复杂的复合函数求导。
令 y=1:
f(x,1)=x+0⋅arcsinx=x故:
fx(x,1)=dxd(x)=1另法(直接求偏导再代入):
fx=1+(y−1)⋅1−x/y1⋅2x/y1⋅y1,代入 y=1 后第二项同样为 0,结果 fx(x,1)=1。
第 5 题:切线对 x 轴的倾角#
思路:曲线由 ⎩⎨⎧z=4x2+y2y=4 给出,代入 y=4 得 z=4x2+4。
在空间中 y 恒为 4,曲线位于平面 y=4 上,切线方向向量由 (1,0,dxdz) 决定。
dxdz(2,4,5)=2xx=2=1设倾角为 α,则 tanα=dxdz=1,故:
α=4π (或 45∘)
第 6 题:求二阶偏导数#
(1) z=x4+y4−4x2y2#
∂x∂z=4x3−8xy2,∂x2∂2z=12x2−8y2∂y∂z=4y3−8x2y,∂y2∂2z=12y2−8x2∂x∂y∂2z=−16xy
(2) z=arctanxy#
∂x∂z=x2+y2−y,∂y∂z=x2+y2x∂x2∂2z=(x2+y2)22xy,∂y2∂2z=(x2+y2)2−2xy∂x∂y∂2z=(x2+y2)2y2−x2
(3) z=yx#
思路:写成指数形式 z=exlny。
∂x∂z=yxlny,∂x2∂2z=yx(lny)2∂y∂z=xyx−1,∂y2∂2z=x(x−1)yx−2∂x∂y∂2z=yx−1(xlny+1)
第 7 题:求指定点处的偏导数值#
f(x,y,z)=xy2+yz2+zx2逐次求导并代入:
-
fx=y2+2zx⇒fxx=2z⇒fxx(0,0,1)=2
-
fxz=∂z∂(y2+2zx)=2x⇒fxz(1,0,2)=2
-
fy=2xy+z2⇒fyz=2z⇒fyz(0,−1,0)=0
-
fz=2yz+x2⇒fzz=2y⇒fzzx=0⇒fzzx(2,0,1)=0
第 8 题:求三阶混合偏导#
z=xln(xy)=xlnx+xlny先求一阶:
∂x∂z=ln(xy)+1,∂y∂z=yx再求二阶:
∂x2∂2z=x1,∂x∂y∂2z=y1最后三阶:
∂x2∂y∂3z=∂y∂(x1)=0∂x∂y2∂3z=∂y∂(y1)=−y21
第 9 题:验证等式#
(1) 验证 y=e−kn2tsin(nx) 满足 ∂t∂y=k∂x2∂2y#
∂t∂y=−kn2e−kn2tsin(nx)=−kn2y∂x∂y=ne−kn2tcos(nx),∂x2∂2y=−n2e−kn2tsin(nx)=−n2y于是:
k∂x2∂2y=k(−n2y)=−kn2y=∂t∂y证毕。(这正是热传导方程的标准解)
(2) 验证 r=x2+y2+z2 满足 ∂x2∂2r+∂y2∂2r+∂z2∂2r=r2#
思路:利用对称性,只求 ∂x2∂2r。
∂x∂r=rx∂x2∂2r=r2r−x⋅rx=r3r2−x2=r3y2+z2由轮换对称性:
∂y2∂2r=r3x2+z2,∂z2∂2r=r3x2+y2相加:
∑∂x2∂2r=r32(x2+y2+z2)=r32r2=r2证毕。(这正是三维拉普拉斯方程在 r=0 时的结果)
第5题中对Z的方程对X求偏导的详细推导过程#
以下是第5题中,对 z=4x2+y2 求 ∂x∂z 的完整推导过程。
一、明确求导对象#
已知曲面方程:
z=4x2+y2
可以拆写成:
z=41x2+41y2
二、偏导数 ∂x∂z 的定义#
对 x 求偏导数,意味着:
将 y 视为常数,只把 z 看作关于 x 的一元函数,然后对 x 求普通导数。
因此:
∂x∂z=dxd(41x2+41y2)(其中 y 为常数)
三、逐项求导#
第一项:41x2#
根据幂函数求导法则 (xn)′=nxn−1:
∂x∂(41x2)=41⋅2x=2x
第二项:41y2#
由于 y 被视为常数,41y2 也是一个常数。常数对 x 的导数为 0:
∂x∂(41y2)=0
四、合并结果#
∂x∂z=2x+0=2x
五、代入点 (2,4,5)#
将 x=2 代入:
∂x∂z(2,4,5)=22=1
六、与倾角的关系#
在平面 y=4 上,曲线可以看作 z 关于 x 的一元函数 z(x)=4x2+4。
切线对 x 轴的倾角 α,定义为切线与 x 轴正方向所成的角,满足:
tanα=dxdz=∂x∂z=1
因此:
α=arctan(1)=4π(即 45∘)
总结推导链#
z=4x2+y2视 y 为常数∂x∂z=2xx=2∂x∂z=1tanα=1α=4π
核心要点就一句话:求 ∂x∂z 时,y 是”冻结”的常数,只对含 x 的项求导。
第一大题的第三小题的详细推导过程#
以下是第1大题第(3)小题:
z=ln(xy)
的详细推导过程。
一、改写函数形式#
先将根号写成指数形式,方便使用链式法则:
z=[ln(xy)]21
这是一个三层复合函数:
z=u21u=lnvv=xy
二、对 x 求偏导数 ∂x∂z#
第一步:外层求导(幂函数)#
视 ln(xy) 为一个整体 u,则:
∂u∂z=21u−21=2ln(xy)1
第二步:中层求导(对数函数)#
视 xy 为 v,则:
∂v∂u=∂v∂(lnv)=v1=xy1
第三步:内层求导(乘积,视 y 为常数)#
∂x∂v=∂x∂(xy)=y
第四步:链式法则相乘#
∂x∂z=∂u∂z⋅∂v∂u⋅∂x∂v
=2ln(xy)1⋅xy1⋅y
=2ln(xy)1⋅xyy
=2ln(xy)1⋅x1
∂x∂z=2xln(xy)1
三、对 y 求偏导数 ∂y∂z#
由于函数 z=ln(xy) 中,x 和 y 具有对称性(将 x,y 互换函数形式不变),推导过程完全类似:
第一步:外层求导#
∂u∂z=2ln(xy)1
第二步:中层求导#
∂v∂u=xy1
第三步:内层求导(视 x 为常数)#
∂y∂v=∂y∂(xy)=x
第四步:链式法则相乘#
∂y∂z=2ln(xy)1⋅xy1⋅x
=2ln(xy)1⋅xyx
=2ln(xy)1⋅y1
∂y∂z=2yln(xy)1
四、总结#
| 偏导数 | 结果 |
|---|
| ∂x∂z | 2xln(xy)1 |
| ∂y∂z | 2yln(xy)1 |
五、关键要点#
- 链式法则:ln(xy) 是”根号套对数套乘积”,必须逐层剥开
- ln(xy) 的偏导:∂x∂ln(xy)=xy1⋅y=x1,这是最容易出错的地方——别忘了乘以内层对 x 的导数
- 对称性:由于 xy=yx,两个偏导数形式对称,只需将 x 换成 y 即可
如需进一步验证,可以将结果代入全微分公式 dz=∂x∂zdx+∂y∂zdy 检验一致性。