人邮高数 第6章 第6-3-10题

教材习题

📝 题目

10.设 $z=f\left(x^{2}+y^{2}\right)$ ,其中函数 $f$ 有二阶连续偏导数,求 $\displaystyle \frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}} 、 \frac{\partial^{2} z}{\partial y^{2}} 、 \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y}$ .

💡 答案解析

[AI解答]

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已知 $z = f(x^2 + y^2)$,令中间变量 $u = x^2 + y^2$,则 $z = f(u)$,且 $f$ 具有二阶连续偏导数。

首先求一阶偏导数: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = f'(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial x} = f'(u) \cdot 2x = 2x f'(u) $$ $$ \frac{\partial z}{\partial y} = f'(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial y} = f'(u) \cdot 2y = 2y f'(u) $$

再求二阶偏导数:

1. 对 $x$ 的二阶偏导: $$ \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x} \left( 2x f'(u) \right) = 2 f'(u) + 2x \cdot f''(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial x} = 2 f'(u) + 2x \cdot f''(u) \cdot 2x = 2 f'(u) + 4x^2 f''(u) $$

2. 对 $y$ 的二阶偏导: $$ \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y} \left( 2y f'(u) \right) = 2 f'(u) + 2y \cdot f''(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial y} = 2 f'(u) + 2y \cdot f''(u) \cdot 2y = 2 f'(u) + 4y^2 f''(u) $$

3. 混合偏导: $$ \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial y} \left( 2x f'(u) \right) = 2x \cdot f''(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial y} = 2x \cdot f''(u) \cdot 2y = 4xy f''(u) $$

因此结果为: $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}} = 2 f'(x^2+y^2) + 4x^2 f''(x^2+y^2) $$ $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial y^{2}} = 2 f'(x^2+y^2) + 4y^2 f''(x^2+y^2) $$ $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y} = 4xy f''(x^2+y^2) $$

难度:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:引入中间变量简化函数
令 u = x^2 + y^2,则 z = f(u)。
公式:u = x^2 + y^2
提示:注意 u 是 x 和 y 的函数。
步骤 2/6
目标:求一阶偏导数 ∂z/∂x 和 ∂z/∂y
利用链式法则:∂z/∂x = f'(u) * ∂u/∂x = f'(u) * 2x = 2x f'(u);类似地,∂z/∂y = 2y f'(u)。
公式:∂z/∂x = 2x f'(u), ∂z/∂y = 2y f'(u)
提示:f'(u) 表示 f 对 u 的导数。
步骤 3/6
目标:求二阶偏导数 ∂²z/∂x²
对 ∂z/∂x = 2x f'(u) 再对 x 求偏导,使用乘积法则和链式法则:∂²z/∂x² = 2 f'(u) + 2x * f''(u) * ∂u/∂x = 2 f'(u) + 2x * f''(u) * 2x = 2 f'(u) + 4x² f''(u)。
公式:∂²z/∂x² = 2 f'(u) + 4x² f''(u)
提示:注意 f'(u) 对 x 求导时也要用链式法则。
步骤 4/6
目标:求二阶偏导数 ∂²z/∂y²
类似地,对 ∂z/∂y = 2y f'(u) 再对 y 求偏导:∂²z/∂y² = 2 f'(u) + 2y * f''(u) * ∂u/∂y = 2 f'(u) + 2y * f''(u) * 2y = 2 f'(u) + 4y² f''(u)。
公式:∂²z/∂y² = 2 f'(u) + 4y² f''(u)
提示:对称性可辅助记忆。
步骤 5/6
目标:求混合偏导数 ∂²z/∂x∂y
对 ∂z/∂x = 2x f'(u) 再对 y 求偏导:∂²z/∂x∂y = 2x * f''(u) * ∂u/∂y = 2x * f''(u) * 2y = 4xy f''(u)。
公式:∂²z/∂x∂y = 4xy f''(u)
提示:由于 f 有二阶连续偏导,混合偏导与顺序无关。
步骤 6/6
目标:将 u 代回原变量
将 u = x² + y² 代入结果中。
提示:最终结果用 x, y 表示。

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