江南大学 2026年数学分析第0题
📝 题目
4、设 $z=z(x, y)$ 由方程 $(x-z, y-z)=0$ 所确定,$F$ 具有连续的二阶导数,则 $z_{x x}+2 z_{x y}+z_{y y}=$ $\_\_\_\_$ .
💡 答案解析
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📋 详细解题步骤
步骤 1/6
目标:引入中间变量并对方程两边求一阶偏导,得到 z_x 和 z_y 的表达式
设 $u = x - z$, $v = y - z$,则原方程 $F(u, v) = 0$。对 $x$ 求偏导:$F_u \cdot (1 - z_x) + F_v \cdot (-z_x) = 0$,整理得 $F_u - (F_u + F_v)z_x = 0$,故 $z_x = \frac{F_u}{F_u + F_v}$。对 $y$ 求偏导:$F_u \cdot (-z_y) + F_v \cdot (1 - z_y) = 0$,整理得 $F_v - (F_u + F_v)z_y = 0$,故 $z_y = \frac{F_v}{F_u + F_v}$。记分母 $D = F_u + F_v$。
公式:z_x = \frac{F_u}{D}, \quad z_y = \frac{F_v}{D}
提示:注意对复合函数求导时,$u_x = 1 - z_x$,$v_x = -z_x$,不要遗漏符号。
步骤 2/6
目标:计算一阶偏导数的辅助关系式
由 $z_x = \frac{F_u}{D}$ 可得 $1 - z_x = 1 - \frac{F_u}{D} = \frac{D - F_u}{D} = \frac{F_v}{D}$,以及 $-z_x = -\frac{F_u}{D}$。同理,由 $z_y = \frac{F_v}{D}$ 可得 $1 - z_y = \frac{F_u}{D}$,$-z_y = -\frac{F_v}{D}$。这些关系将用于后续二阶偏导的计算。
公式:u_x = \frac{F_v}{D}, \quad v_x = -\frac{F_u}{D}, \quad u_y = -\frac{F_v}{D}, \quad v_y = \frac{F_u}{D}
提示:这些关系式是代入求导公式的关键,务必推导准确。
步骤 3/6
目标:求二阶偏导 z_{xx}
对 $z_x = \frac{F_u}{D}$ 再对 $x$ 求导,使用商的求导法则:$z_{xx} = \frac{(F_{uu}u_x + F_{uv}v_x)D - F_u[(F_{uu}+F_{uv})u_x + (F_{uv}+F_{vv})v_x]}{D^2}$。代入 $u_x = \frac{F_v}{D}$,$v_x = -\frac{F_u}{D}$,分子化简为 $\frac{F_v^2 F_{uu} - 2F_u F_v F_{uv} + F_u^2 F_{vv}}{D}$,再除以 $D^2$ 得 $z_{xx} = \frac{F_v^2 F_{uu} - 2F_u F_v F_{uv} + F_u^2 F_{vv}}{D^3}$。
公式:z_{xx} = \frac{F_v^2 F_{uu} - 2F_u F_v F_{uv} + F_u^2 F_{vv}}{(F_u+F_v)^3}
提示:注意 $F_{uv}=F_{vu}$,且分子化简时需仔细合并同类项,避免符号错误。
步骤 4/6
目标:求二阶偏导 z_{yy}
由对称性,将 $z_{xx}$ 表达式中的 $u$ 与 $v$ 互换,同时注意 $u_y = -\frac{F_v}{D}$,$v_y = \frac{F_u}{D}$,代入计算可得 $z_{yy} = \frac{F_u^2 F_{vv} - 2F_u F_v F_{uv} + F_v^2 F_{uu}}{D^3}$,与 $z_{xx}$ 表达式完全相同。
公式:z_{yy} = \frac{F_v^2 F_{uu} - 2F_u F_v F_{uv} + F_u^2 F_{vv}}{(F_u+F_v)^3}
提示:对称性可简化计算,但需验证 $u_y$ 和 $v_y$ 的符号与 $x$ 情形不同,结果恰好一致。
步骤 5/6
目标:求混合偏导 z_{xy}
对 $z_x = \frac{F_u}{D}$ 再对 $y$ 求导:$z_{xy} = \frac{(F_{uu}u_y + F_{uv}v_y)D - F_u[(F_{uu}+F_{uv})u_y + (F_{uv}+F_{vv})v_y]}{D^2}$。代入 $u_y = -\frac{F_v}{D}$,$v_y = \frac{F_u}{D}$,分子化简为 $\frac{-F_u F_v F_{uu} + F_u^2 F_{uv} + F_v^2 F_{uv} - F_u F_v F_{vv}}{D}$,整理得 $z_{xy} = \frac{-F_u F_v F_{uu} + (F_u^2 + F_v^2)F_{uv} - F_u F_v F_{vv}}{D^3}$。
公式:z_{xy} = \frac{-F_u F_v F_{uu} + (F_u^2 + F_v^2)F_{uv} - F_u F_v F_{vv}}{(F_u+F_v)^3}
提示:混合偏导的分子与 $z_{xx}$ 不同,注意 $u_y$ 和 $v_y$ 的符号导致交叉项符号变化。
步骤 6/6
目标:计算目标表达式 z_{xx} + 2z_{xy} + z_{yy}
将 $z_{xx}$、$z_{xy}$、$z_{yy}$ 的表达式代入:$z_{xx} + 2z_{xy} + z_{yy} = \frac{1}{D^3}\left[ (F_v^2 F_{uu} - 2F_u F_v F_{uv} + F_u^2 F_{vv}) + 2(-F_u F_v F_{uu} + (F_u^2+F_v^2)F_{uv} - F_u F_v F_{vv}) + (F_v^2 F_{uu} - 2F_u F_v F_{uv} + F_u^2 F_{vv}) \right]$。合并同类项:$F_{uu}$ 项系数为 $F_v^2 - 2F_u F_v + F_v^2 = 2F_v^2 - 2F_u F_v$;$F_{vv}$ 项系数为 $F_u^2 - 2F_u F_v + F_u^2 = 2F_u^2 - 2F_u F_v$;$F_{uv}$ 项系数为 $-2F_u F_v + 2(F_u^2+F_v^2) - 2F_u F_v = 2F_u^2 + 2F_v^2 - 4F_u F_v$。总和为 $\frac{2(F_u^2 + F_v^2 - 2F_u F_v)(F_{uu} + F_{uv} + F_{vv})?}{D^3}$,实际化简后分子为 $2(F_u - F_v)^2 (F_{uu} + 2F_{uv} + F_{vv})$?需重新仔细合并:将三项相加,$F_{uu}$ 总系数:$F_v^2 - 2F_u F_v + F_v^2 = 2F_v^2 - 2F_u F_v$;$F_{vv}$ 总系数:$F_u^2 - 2F_u F_v + F_u^2 = 2F_u^2 - 2F_u F_v$;$F_{uv}$ 总系数:$-2F_u F_v + 2F_u^2 + 2F_v^2 - 2F_u F_v = 2F_u^2 + 2F_v^2 - 4F_u F_v$。注意到 $2F_v^2 - 2F_u F_v = 2F_v(F_v - F_u)$,$2F_u^2 - 2F_u F_v = 2F_u(F_u - F_v)$,$2F_u^2 + 2F_v^2 - 4F_u F_v = 2(F_u - F_v)^2$。因此总和为 $\frac{2(F_u - F_v)^2 (F_{uu} + F_{uv} + F_{vv})?}{D^3}$,但实际 $F_{uu}$ 和 $F_{vv}$ 系数不同,不能直接提出公因子。正确合并:将表达式写为 $\frac{2}{D^3}[ (F_v^2 - F_u F_v)F_{uu} + (F_u^2 - F_u F_v)F_{vv} + (F_u^2 + F_v^2 - 2F_u F_v)F_{uv} ]$,注意到 $F_v^2 - F_u F_v = F_v(F_v - F_u)$,$F_u^2 - F_u F_v = F_u(F_u - F_v)$,$F_u^2 + F_v^2 - 2F_u F_v = (F_u - F_v)^2$。因此 $z_{xx} + 2z_{xy} + z_{yy} = \frac{2(F_u - F_v)}{D^3} [ -F_v F_{uu} + F_u F_{vv} + (F_u - F_v)F_{uv} ]$。进一步观察,若令 $A = F_u - F_v$,则表达式可写为 $\frac{2A}{D^3}( -F_v F_{uu} + F_u F_{vv} + A F_{uv})$。但题目通常期望结果为0?检查:若 $F$ 是线性函数,则二阶导为0,结果为0。但一般情形下,该表达式不一定为0。然而,注意到原题可能隐含 $F$ 是齐次或特殊形式?实际上,由 $F(x-z, y-z)=0$ 可推出 $z = x + y - \text{常数}$?不,更常见的是通过隐函数定理,$z_x + z_y = 1$,因为 $F_u(1-z_x) - F_v z_x = 0$ 和 $F_u(-z_y) + F_v(1-z_y)=0$,两式相加得 $F_u(1-z_x-z_y) + F_v(1-z_x-z_y)=0$,即 $(F_u+F_v)(1-z_x-z_y)=0$,若 $F_u+F_v \neq 0$,则 $z_x+z_y=1$。于是 $z_{xx}+2z_{xy}+z_{yy} = (z_x+z_y)_x + (z_x+z_y)_y = 1_x + 1_y = 0$。因此结果为0。
公式:z_{xx} + 2z_{xy} + z_{yy} = 0
提示:利用一阶偏导关系 $z_x+z_y=1$ 可大幅简化,避免复杂二阶导计算。这是本题的关键技巧。
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