下册 7.5 多元函数微分的应用 第37题

数学分析早年真题

📝 题目

37.求下列函数的方向导数. (1)求函数 $\displaystyle f(x, y)=1-\left(\frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}\right)$ 在点 $\displaystyle \left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{b}{\sqrt{2}}\right)$ 处沿曲线 $\displaystyle \frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}=1$ 在该点的内法线方向的方向导数,其中 $a, b$ 为正常数. (2)设函数 $f(x, y)=x^{3}+y^{3}-3 x y$ ,请在平面上每一点指出函数增加最快的方向,并计算出函数在该方向的方向导数. (3)求 $\displaystyle z=\arctan \frac{y}{x}$ 在位于圆 $x^{2}+y^{2}-2 x=0$ 上一点 $\displaystyle P_{0}\left(\frac{1}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right)$ 处沿着该圆周切线方向的方向导数(切线倾斜角度 $\alpha:(0, \pi)$ ). (4)设 $z=x^{2}-x y+y^{2}$ ,求它在点 $(1,1)$ 处沿方向 $v=(\cos \alpha, \sin \alpha)$ 的方向导数,并分别求出最大与最小的方向导数. (5)数量场 $u=x^{2}-2 y z+y^{2}$ 在点 $M(-1,2,1)$ 沿什么方向的方向导数达到最大值?并求此最大值. (6)设 $z=z(x, y)$ 由方程 $F\left(x y z, x^{2}+y^{2}+z^{2}\right)=0$ 所确定,求 $\operatorname{grad} z$ .

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)令 $\displaystyle F(x, y)=\frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}-1$ ,则 $\displaystyle F_{x}=\frac{2 x}{a^{2}}, F_{y}=\frac{2 y}{b^{2}}$ .函数点 $(x, y)$ 处的法向量为 $$ n= \pm\left(F_{x}, F_{y}\right)= \pm\left(\frac{2 x}{a^{2}}, \frac{2 y}{b^{2}}\right) $$ 所以函数在点 $\displaystyle \left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{b}{\sqrt{2}}\right)$ 处的内法向量为 $\displaystyle \boldsymbol{n}=-\left(\frac{\sqrt{2}}{a}, \frac{\sqrt{2}}{b}\right)$ ,单位内法向量为 $$ e_{n}=\left(-\frac{b}{\sqrt{a^{2}+b^{2}}},-\frac{a}{\sqrt{a^{2}+b^{2}}}\right)=(\cos \alpha, \cos \beta) . $$ 又因为 $\displaystyle \left.\frac{\partial f}{\partial x}\right|_{\left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{b}{\sqrt{2}}\right)}=-\left.\frac{2 x}{a^{2}}\right|_{\left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{b}{\sqrt{2}}\right)}=-\frac{\sqrt{2}}{a},\left.\frac{\partial f}{\partial y}\right|_{\left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{b}{\sqrt{2}}\right)}=-\left.\frac{2 y}{b^{2}}\right|_{\left(\frac{a}{\sqrt{2}}, \frac{b}{\sqrt{2}}\right)}=-\frac{\sqrt{2}}{b}$ ,所以 $$ \frac{\partial f}{\partial n}=\frac{\partial f}{\partial x} \cos \alpha+\frac{\partial f}{\partial y} \cos \beta=\frac{\sqrt{2}}{a} \cdot \frac{b}{\sqrt{a^{2}+b^{2}}}+\frac{\sqrt{2}}{b} \cdot \frac{a}{\sqrt{a^{2}+b^{2}}}=\frac{\sqrt{2}}{a b} \sqrt{a^{2}+b^{2}} . $$ (2)对可微函数,梯度方向是函数变化最快的方向. $$ f_{x}(x, y)=3 x^{2}-3 y, f_{y}(x, y)=3 y^{2}-3 x . $$ 设 $P\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 为该曲线上的点,在该点的梯度为 $\left(3 x_{0}{ }^{2}-3 y_{0}, 3 y_{0}{ }^{2}-3 x_{0}\right)$ ,方向余弦为 $\displaystyle \left(\frac{x_{0}{ }^{2}-y_{0}}{r}, \frac{y_{0}{ }^{2}-x_{0}}{r}\right)$ ,其中 $r=\sqrt{\left(x_{0}{ }^{2}-y_{0}\right)^{2}+\left(y_{0}{ }^{2}-x_{0}\right)^{2}}$ 。函数在梯度方向的方向导数为 $$ \begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial l} & =f_{x}\left(P_{0}\right) \cos \alpha+f_{y}\left(P_{0}\right) \cos \beta=3\left(x_{0}^{2}-y_{0}\right) \frac{x_{0}^{2}-y_{0}}{r}+3\left(y_{0}^{2}-x_{0}\right) \frac{y_{0}^{2}-x_{0}}{r} \\ & =3 \sqrt{\left(x_{0}^{2}-y_{0}\right)^{2}+\left(y_{0}^{2}-x_{0}\right)^{2}} . \end{aligned} $$ (3)求 $\displaystyle z=\arctan \frac{y}{x}$ 的一阶偏导数 $\displaystyle z_{x}=\frac{-y}{x^{2}+y^{2}}, z_{y}=\frac{x}{x^{2}+y^{2}}$ . 圆 $x^{2}+y^{2}-2 x=0$ 在点 $\displaystyle P_{0}\left(\frac{1}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right)$ 处的切线的斜率 $\displaystyle k=y_{x}\left(P_{0}\right)=\frac{1}{\sqrt{2}}$ ,切线的方向向量为 $\displaystyle \left(\frac{1}{\sqrt{2}}, \frac{1}{\sqrt{2}}\right)$ .于是所求的方向导数为 $\displaystyle z_{l}=z_{x}\left(P_{0}\right) \frac{1}{\sqrt{2}}+z_{y}\left(P_{0}\right) \frac{1}{\sqrt{2}}=\frac{4}{3} \frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}-\frac{1}{2}\right)=\frac{2-\sqrt{2}}{3}$ . (4)由于 $\displaystyle \frac{\partial z}{\partial v}=\frac{\partial z}{\partial x} \cos \alpha+\frac{\partial z}{\partial y} \sin \alpha=(2 x-y) \cos \alpha+(2 y-x) \sin \alpha$ ,所以 $$ \left.\frac{\partial z}{\partial v}\right|_{(1,1)}=\cos \alpha+\sin \alpha=\sin \left(\frac{\pi}{2}-\alpha\right)+\sin \alpha=2 \sin \frac{\pi}{4} \cos \left(\frac{\pi}{4}-\alpha\right) . $$ (I)当 $\displaystyle \alpha=\frac{\pi}{4}$ 时,沿 $\displaystyle \nu=\left(\cos \frac{\pi}{4}, \sin \frac{\pi}{4}\right)$ ,方向导数最大; (II)当 $\displaystyle \alpha=\frac{5 \pi}{4}$ 时,沿 $\displaystyle v=\left(\cos \frac{5 \pi}{4}, \sin \frac{5 \pi}{4}\right)$ ,方向导数最小。 (5)函数的一阶偏导数 $u_{x}=2 x, u_{y}=-2 z+2 y, u_{z}=-2 y$ .于是函数在点 $M(-1,2,1)$ 处的梯度为 $(-2,2,-4)$ . 对可微函数,梯度方向是函数变化最快的方向,故沿梯度方向的方向导数达到的最大值为 $|\operatorname{grad} \boldsymbol{u}|=2 \sqrt{6}$ . (6)由于 $\displaystyle z_{x}=-\frac{F_{x}}{F_{z}}=-\frac{y z F_{1}+2 x F_{2}}{x y F_{1}+2 z F_{2}}, z_{y}=-\frac{F_{y}}{F_{z}}=-\frac{z x F_{1}+2 y F_{2}}{x y F_{1}+2 z F_{2}}$ ,所以 $\operatorname{grad} z=\left(z_{x}, z_{y}\right)$ .

📋 详细解题步骤

暂无解题步骤

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