河南师范大学 2025年数学分析第0题
📝 题目
五、(20 分)$\displaystyle z=z(x, y)$ 的连续偏导数,若 $\displaystyle \left(x z_{x}\right)^{2}+\left(y z_{y}\right)^{2}=z^{2} z_{x} z_{y}$ ,其中 $\displaystyle x=u e^{w}$ , $\displaystyle y=v e^{w}, z=\omega e^{w}$ ,若 $\displaystyle 1+u w_{u}+v w_{v} \neq 0$ ,求 $\displaystyle w=w(u, v)$ 的方程.
💡 答案解析
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📋 详细解题步骤
步骤 1/5
目标:明确变量关系并假设函数形式
已知 $x = u e^w$, $y = v e^w$, $z = \omega e^w$。由于题目最终要求 $w(u,v)$ 的方程,且条件中出现 $w_u, w_v$,合理的假设是 $\omega = w$,即 $z = w e^w$。
公式:$z = w e^w$
提示:注意区分 $\omega$ 和 $w$,这里根据后续推导需要将 $\omega$ 视为 $w$ 本身。
步骤 2/5
目标:利用隐函数求导法求出 $u_x, v_x, u_y, v_y$
对 $x = u e^w$ 两边对 $x$ 求偏导($y$ 固定):$1 = e^w u_x + u e^w w_x$。对 $y = v e^w$ 两边对 $x$ 求偏导:$0 = e^w v_x + v e^w w_x$,得 $v_x = -v w_x$。类似地,对 $x$ 对 $y$ 求偏导得 $u_y = -u w_y$,对 $y$ 对 $y$ 求偏导得 $1 = e^w v_y + v e^w w_y$,即 $v_y = 1 - v w_y$。
公式:$v_x = -v w_x$, $u_y = -u w_y$, $v_y = 1 - v w_y$
提示:注意固定变量,链式法则要仔细。
步骤 3/5
目标:用链式法则表示 $w_x, w_y$ 并求解
由 $w_x = w_u u_x + w_v v_x$,代入 $u_x = e^{-w} - u w_x$ 和 $v_x = -v w_x$,得 $w_x = w_u(e^{-w} - u w_x) + w_v(-v w_x)$,整理得 $w_x(1 + u w_u + v w_v) = w_u e^{-w}$,故 $w_x = \frac{w_u e^{-w}}{1 + u w_u + v w_v}$。同理,$w_y = w_u u_y + w_v v_y = w_u(-u w_y) + w_v(1 - v w_y)$,得 $w_y(1 + u w_u + v w_v) = w_v$,即 $w_y = \frac{w_v}{1 + u w_u + v w_v}$。
公式:$w_x = \frac{w_u e^{-w}}{A}$, $w_y = \frac{w_v}{A}$,其中 $A = 1 + u w_u + v w_v$
提示:注意 $A \neq 0$ 是题设条件,保证分母不为零。
步骤 4/5
目标:将 $z_x, z_y$ 代入原方程并化简
由 $z = w e^w$ 得 $z_x = e^w(1+w) w_x$, $z_y = e^w(1+w) w_y$。代入原方程 $(x z_x)^2 + (y z_y)^2 = z^2 z_x z_y$,左边 $= (u e^w \cdot e^w(1+w) w_x)^2 + (v e^w \cdot e^w(1+w) w_y)^2 = e^{4w}(1+w)^2 (u^2 w_x^2 + v^2 w_y^2)$,右边 $= w^2 e^{2w} \cdot e^{2w}(1+w)^2 w_x w_y = w^2 e^{4w}(1+w)^2 w_x w_y$。约去 $e^{4w}(1+w)^2$ 得 $u^2 w_x^2 + v^2 w_y^2 = w^2 w_x w_y$。
公式:$u^2 w_x^2 + v^2 w_y^2 = w^2 w_x w_y$
提示:约去因子时需假设 $1+w \neq 0$,通常考虑非零区域。
步骤 5/5
目标:代入 $w_x, w_y$ 表达式得到 $w(u,v)$ 的方程
将 $w_x = \frac{w_u e^{-w}}{A}$, $w_y = \frac{w_v}{A}$ 代入 $u^2 w_x^2 + v^2 w_y^2 = w^2 w_x w_y$,得 $u^2 \left(\frac{w_u e^{-w}}{A}\right)^2 + v^2 \left(\frac{w_v}{A}\right)^2 = w^2 \cdot \frac{w_u e^{-w}}{A} \cdot \frac{w_v}{A}$。两边乘以 $A^2$ 得 $u^2 w_u^2 e^{-2w} + v^2 w_v^2 = w^2 w_u w_v e^{-w}$。再乘以 $e^{2w}$ 得 $u^2 w_u^2 + v^2 w_v^2 e^{2w} = w^2 w_u w_v e^{w}$。
公式:$u^{2} w_{u}^{2} + v^{2} w_{v}^{2} e^{2w} = w^{2} w_{u} w_{v} e^{w}$
提示:最终方程中 $e^w$ 不能消去,它是 $w$ 的函数。
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