下册 7.4 隐函数的微分 第13题
📝 题目
13.求解下列各题.
(1)方程 $\displaystyle F\left(\frac{x}{z}, \frac{y}{z}\right)=0$ 确定隐函数 $z=z(x, y)$ ,求 $x z_{x}+y z_{y}$ 。
(2)设 $z=f(u)$ ,方程 $u=\varphi(u)+\int_{y}^{x} p(t) \mathrm{d} t$ 确定隐函数 $u=u(x, y)$ ,其中 $f(u), \varphi(u)$ ,可微, $p(t), \varphi^{\prime}(u)$ 连续且 $\varphi^{\prime}(u) \neq 1$ ,求 $p(y) z_{x}+p(x) z_{y}$ 。
(3)设 $G(s, t)$ 是二元连续可微函数,满足 $a G_{s}+b G_{t} \neq 0$ ,又设 $z=f(x, y)$ 是由 $G(c x-a z, c y-b z)=0$ 定义的隐函数,其中 $a, b, c$ 均为常数。(1)求 $a z_{x}+b z_{y}$ ;(2)求 $z_{x y}$ 。
(4)设 $z=f(x, y)$ 有二阶连续偏导数,$u=x+a y, v=x-a y(a \neq 0)$ ,求 $z_{u v}$ 。
(5)设函数 $z=f(x, y)$ 满足方程 $F(u, v)=0$ ,其中 $u=x+a z, v=y+b z, a, b$ 为常数,$F$ 可微,且 $a F_{u}+b F_{v} \neq 0$ ,求积分 $\iint_{x^{2}+y^{2}<1} \mathrm{e}^{-\left(x^{2}+y^{2}\right)}\left(a z_{x}+b z_{y}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y$ 。
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
(1)令 $\displaystyle u=\frac{x}{z}, v=\frac{y}{z}$ .方程两边对 $x$ 求偏导得
$$
F_{u}\left(\frac{1}{z}-\frac{x}{z^{2}} z_{x}\right)+F_{v}\left(-\frac{y}{z^{2}}\right) z_{x}=0 .
$$
于是 $\displaystyle z_{x}=\frac{z F_{u}}{x F_{u}+y F_{v}}$ .
同理可得:$\displaystyle z_{y}=\frac{z F_{v}}{x F_{u}+y F_{v}}$ .
从而 $x z_{x}+y z_{y}=z$ 。
(2)由 $z=f(u)$ 得 $\displaystyle \frac{\partial z}{\partial x}=f^{\prime}(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial x}, \frac{\partial z}{\partial y}=f^{\prime}(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial y}$ .
方程 $u=\varphi(u)+\int_{y}^{x} p(t) \mathrm{d} t$ 两边对 $x$ 求偏导,$u_{x}=\varphi^{\prime}(u) \cdot u_{x}+p(x)$ ,即 $\displaystyle u_{x}=\frac{p(x)}{1-\varphi^{\prime}(u)}$ ;
方程 $u=\varphi(u)+\int_{y}^{x} p(t) \mathrm{d} t$ 两边对 $y$ 求偏导,$u_{y}=\varphi^{\prime}(u) \cdot u_{y}-p(y)$ ,即 $\displaystyle u_{y}=-\frac{p(y)}{1-\varphi^{\prime}(u)}$ .
故 $p(y) z_{x}+p(x) z_{y}=0$ 。
(3)用 $G_{i}$ 表示 $G$ 对第 $i$ 个中间变量的偏导数.
在方程 $G(c x-a z, c y-b z)=0$ 两边分别对 $x$ 和 $y$ 求偏导数得
$$
G_{1}\left(c-a z_{x}\right)+G_{2}\left(-b z_{x}\right)=0, G_{1}\left(-a z_{y}\right)+G_{2}\left(c-b z_{y}\right)=0 .
$$
于是 $\displaystyle z_{x}=\frac{c G_{1}}{a G_{1}+b G_{2}}, z_{y}=\frac{c G_{2}}{a G_{1}+b G_{2}}$ ,从而 $a z_{x}+b z_{y}=c$ 。
再在 $G_{1}\left(c-a z_{x}\right)+G_{2}\left(-b z_{x}\right)=0$ 两边对 $y$ 求偏导数得
$$
\left[G_{11}\left(-a z_{y}\right)+G_{12}\left(c-b z_{y}\right)\right]\left(c-a z_{x}\right)+G_{1}\left(-a z_{x y}\right)+\left[G_{21}\left(-a z_{y}\right)+G_{22}\left(c-b z_{y}\right)\right]\left(-b z_{x}\right)+G_{2}\left(-b z_{x y}\right)=0 .
$$
于是
$$
\begin{aligned}
z_{x y} & =\frac{1}{a G_{1}+b G_{2}}\left\{\left[c G_{12}-\left(a G_{11}+b G_{12}\right) z_{y}\right]\left(c-a z_{x}\right)-b z_{x}\left[c G_{22}-\left(a G_{21}+b G_{22}\right) z_{y}\right]\right\} \\
& =\frac{a b c^{2}}{\left(a G_{1}+b G_{2}\right)^{3}}\left(2 G_{1} G_{2} G_{12}-G_{2}^{2} G_{11}-G_{1}^{2} G_{22}\right)
\end{aligned}
$$
(4)由 $u=x+a y, v=x-a y(a \neq 0)$ 得 $\displaystyle x=\frac{1}{2}(u+v), y=\frac{1}{2 a}(u-v)$ .
$$
z_{u}=z_{x} x_{u}+z_{y} y_{u}=\frac{1}{2} z_{x}+\frac{1}{2 a} z_{y}
$$
$$
z_{u v}=\left(\frac{1}{2} z_{x}+\frac{1}{2 a} z_{y}\right)_{v}=\frac{1}{2}\left(z_{x x} x_{v}+z_{x y} y_{v}\right)+\frac{1}{2 a}\left(z_{y x} x_{v}+z_{y y} y_{v}\right)=\frac{1}{4} z_{x x}-\frac{1}{4 a^{2}} z_{y y} .
$$
(5)由 $F(x+a z, y+b z)=0$ 知 $F_{u}\left(1+a z_{x}\right)+F_{v} \cdot b z_{x}=0$ 。所以 $\displaystyle z_{x}=-\frac{F_{u}}{a F_{u}+b F_{v}}$ .
由 $F(x+a z, y+b z)=0$ 知 $F_{u} \cdot a z_{y}+F_{v}\left(1+b \cdot z_{y}\right)=0$ .所以 $\displaystyle z_{y}=-\frac{F_{v}}{a F_{u}+b F_{v}}$ .
从而 $a z_{x}+b z_{y}=-1$ .于是
$$
\begin{aligned}
\iint_{x^{2}+y^{2}<1} \mathrm{e}^{-\left(x^{2}+y^{2}\right)}\left(a z_{x}+b z_{y}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y & =\iint_{x^{2}+y^{2}<1} \mathrm{e}^{-\left(x^{2}+y^{2}\right)}(-1) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y=-\int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{1} \mathrm{e}^{-r^{2}} r \mathrm{~d} r \\
& =-2 \pi \int_{0}^{1}\left(-\frac{1}{2} \mathrm{e}^{-r^{2}}\right)^{\prime} \mathrm{d} r=\pi\left(\mathrm{e}^{-1}-1\right)
\end{aligned}
$$
📋 详细解题步骤
步骤 1/4
目标:引入中间变量并求偏导
令 $u = \frac{x}{z}, v = \frac{y}{z}$,则方程 $F(u, v) = 0$。对 $x$ 求偏导:$F_u \left( \frac{1}{z} - \frac{x}{z^2} z_x \right) + F_v \left( -\frac{y}{z^2} z_x \right) = 0$。
公式:$\frac{\partial}{\partial x} F(u,v) = F_u u_x + F_v v_x = 0$
提示:注意 $u$ 和 $v$ 都是 $x$ 的函数,求导时使用链式法则。
步骤 2/4
目标:解出 $z_x$
整理得 $\frac{1}{z} F_u = \frac{x}{z^2} F_u z_x + \frac{y}{z^2} F_v z_x$,所以 $z_x = \frac{z F_u}{x F_u + y F_v}$。
提示:注意分母不为零。
步骤 3/4
目标:同理求 $z_y$
对 $y$ 求偏导:$F_u \left( -\frac{x}{z^2} z_y \right) + F_v \left( \frac{1}{z} - \frac{y}{z^2} z_y \right) = 0$,解得 $z_y = \frac{z F_v}{x F_u + y F_v}$。
提示:对称性可减少计算量。
步骤 4/4
目标:计算 $x z_x + y z_y$
$x z_x + y z_y = x \cdot \frac{z F_u}{x F_u + y F_v} + y \cdot \frac{z F_v}{x F_u + y F_v} = \frac{z (x F_u + y F_v)}{x F_u + y F_v} = z$。
提示:结果简洁,注意约分。
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