2015年考研数学三第11题

填空题 · 4分

📝 题目

若函数 $z=z(x, y)$ 由方程 $\mathrm{e}^{x+2 y+3 z}+x y z=1$ 确定,则 $\left.\mathrm{d} z\right|_{(0,0)}=$ $\_\_\_\_$。

💡 答案解析

**答案**: $-\displaystyle\frac{1}{3} \mathrm{~d} x-\displaystyle\frac{2}{3} \mathrm{~d} y$ .

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**解析**:

方法一 $x=0, y=0$ 代入 $\mathrm{e}^{x+2 y+3 z}+x y z=1$ 得 $z=0$ . $\mathrm{e}^{x+2 y+3 z}+x y z=1$ 分别对 $x, y$ 求偏导得

$$ \left\{\begin{array}{l} \mathrm{e}^{x+2 y+3 z} \cdot\left(1+3 \frac{\partial z}{\partial x}\right)+y z+x y \frac{\partial z}{\partial x}=0 \\ \mathrm{e}^{x+2 y+3 z} \cdot\left(2+3 \frac{\partial z}{\partial y}\right)+x z+x y \frac{\partial z}{\partial y}=0 \end{array}\right. $$

将 $x=0, y=0, z=0$ 代人上式得 $\left.\displaystyle\frac{\partial z}{\partial x}\right|_{(0,0)}=-\displaystyle\frac{1}{3},\left.\displaystyle\frac{\partial z}{\partial y}\right|_{(0,0)}=-\displaystyle\frac{2}{3}$ , 故 $\left.\mathrm{d} z\right|_{(0,0)}=-\displaystyle\frac{1}{3} \mathrm{~d} x-\displaystyle\frac{2}{3} \mathrm{~d} y$ . 方法二 将 $x=0, y=0$ 代入方程得 $z=0$ , $\mathrm{e}^{x+2 y+3 z}+x y z=1$ 两边求全微分得

$$ \mathrm{e}^{x+2 y+3 z} \cdot(\mathrm{~d} x+2 \mathrm{~d} y+3 \mathrm{~d} z)+y z \mathrm{~d} x+x z \mathrm{~d} y+x y \mathrm{~d} z=0 $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:将点(0,0)代入方程求z(0,0)
题目中给出的方程为 $e^{x+y+z} + xyz = e^{3z}$。我们需要求函数 $z = z(x,y)$ 在点 $(0,0)$ 处的值。首先,将 $x=0$ 和 $y=0$ 代入原方程。代入后,方程变为: $$e^{0+0+z(0,0)} + 0 \cdot 0 \cdot z(0,0) = e^{3z(0,0)}$$ 由于 $0 \cdot 0 \cdot z(0,0) = 0$,所以方程简化为: $$e^{z(0,0)} = e^{3z(0,0)}$$ 令 $u = z(0,0)$,则方程化为 $e^u = e^{3u}$。由于指数函数是单调的,两边取自然对数(或直接比较指数)可得 $u = 3u$。移项得 $u - 3u = 0$,即 $-2u = 0$,解得 $u = 0$。因此 $z(0,0) = 0$。 注意:这里也可以直接由 $e^u = e^{3u}$ 推出 $e^{3u} / e^u = e^{2u} = 1$,从而 $2u = 0$,同样得到 $u=0$。总之,代入后得到 $z(0,0)=0$。
公式:e^{z(0,0)} = e^{3z(0,0)} \Rightarrow z(0,0)=0
提示:代入时注意 $xyz$ 项为零,直接化简为指数方程,利用指数单调性求解。
步骤 2/3
目标:对方程两边求全微分
对方程 $e^{x+2y+3z} + xyz = 1$ 两边同时求全微分。由于方程右边为常数1,其全微分为0。左边是两个函数之和,根据全微分法则,和的微分等于微分之和,即 $d(e^{x+2y+3z}) + d(xyz) = 0$。 首先计算 $d(e^{x+2y+3z})$。令 $u = x+2y+3z$,则 $e^{x+2y+3z} = e^u$。由链式法则,$d(e^u) = e^u du$,而 $du = d(x+2y+3z) = dx + 2dy + 3dz$。因此 $d(e^{x+2y+3z}) = e^{x+2y+3z}(dx + 2dy + 3dz)$。 其次计算 $d(xyz)$。将 $xyz$ 视为三个变量乘积,利用乘积的微分法则:$d(xyz) = yz\,dx + xz\,dy + xy\,dz$。 将两部分结果代入微分方程,得到: $$e^{x+2y+3z}(dx + 2dy + 3dz) + yz\,dx + xz\,dy + xy\,dz = 0.$$ 整理后,可将含 $dx, dy, dz$ 的项分别合并,为下一步求解 $"partial z/"partial x$ 或 $"partial z/"partial y$ 做准备。
公式:$$e^{x+2y+3z}(dx+2dy+3dz) + yz\,dx + xz\,dy + xy\,dz = 0$$
提示:求全微分时,逐项应用微分法则,注意系数不要遗漏。
步骤 3/3
目标:代入(0,0,0)求解dz
将点 $(0,0,0)$ 代入上一步得到的全微分方程中。上一步得到的方程为: $$1\cdot (dx + 2dy + 3dz) + 0 = 0$$ 化简得: $$dx + 2dy + 3dz = 0$$ 移项,将含有 $dz$ 的项保留在左边,其余项移到右边: $$3dz = -dx - 2dy$$ 两边同时除以 $3$,得到 $dz$ 的表达式: $$dz = -\frac{1}{3}dx - \frac{2}{3}dy$$ 因此,在点 $(0,0,0)$ 处,全微分 $dz$ 由上式给出。最终答案为: $$\boxed{dz = -\frac{1}{3}dx - \frac{2}{3}dy}$$
公式:dz = -\frac{1}{3}dx - \frac{2}{3}dy
提示:代入点坐标时,务必同时代入所有变量,并注意移项时的符号变化。

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