人邮高数 第6章 第6-3-13题

教材习题

📝 题目

13.利用一阶全微分形式的不变性求函数 $\displaystyle u=\frac{x}{x^{2}+y^{2}+z^{2}}$ 的偏导数.

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答] 我们要求函数 $$ u = \frac{x}{x^{2}+y^{2}+z^{2}} $$ 的偏导数,利用一阶全微分形式的不变性,即先求全微分 $\mathrm{d}u$,再从中直接读出各偏导系数。

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**第一步:将函数写成便于微分的形式** 令 $$ u = x \cdot (x^{2}+y^{2}+z^{2})^{-1} $$ 设 $$ R^{2} = x^{2}+y^{2}+z^{2} $$ 则 $$ u = x R^{-2} $$

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**第二步:对两边取全微分** 利用乘积法则: $$ \mathrm{d}u = \mathrm{d}x \cdot R^{-2} + x \cdot \mathrm{d}(R^{-2}) $$ 而 $$ \mathrm{d}(R^{-2}) = -2 R^{-3} \, \mathrm{d}R $$ 又 $$ \mathrm{d}R = \frac{\partial R}{\partial x}\mathrm{d}x + \frac{\partial R}{\partial y}\mathrm{d}y + \frac{\partial R}{\partial z}\mathrm{d}z $$ 由于 $R = (x^{2}+y^{2}+z^{2})^{1/2}$,有 $$ \frac{\partial R}{\partial x} = \frac{x}{R},\quad \frac{\partial R}{\partial y} = \frac{y}{R},\quad \frac{\partial R}{\partial z} = \frac{z}{R} $$ 所以 $$ \mathrm{d}R = \frac{x}{R}\mathrm{d}x + \frac{y}{R}\mathrm{d}y + \frac{z}{R}\mathrm{d}z $$

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**第三步:代入并整理** 先计算 $$ x \cdot \mathrm{d}(R^{-2}) = x \cdot (-2 R^{-3}) \left( \frac{x}{R}\mathrm{d}x + \frac{y}{R}\mathrm{d}y + \frac{z}{R}\mathrm{d}z \right) $$ 即 $$ = -\frac{2x}{R^{4}} \left( x\mathrm{d}x + y\mathrm{d}y + z\mathrm{d}z \right) $$ 而第一项为 $$ R^{-2} \mathrm{d}x $$ 因此 $$ \mathrm{d}u = \frac{1}{R^{2}}\mathrm{d}x - \frac{2x^{2}}{R^{4}}\mathrm{d}x - \frac{2xy}{R^{4}}\mathrm{d}y - \frac{2xz}{R^{4}}\mathrm{d}z $$ 合并 $\mathrm{d}x$ 的系数: $$ \frac{1}{R^{2}} - \frac{2x^{2}}{R^{4}} = \frac{R^{2} - 2x^{2}}{R^{4}} $$ 而 $R^{2} = x^{2}+y^{2}+z^{2}$,所以 $$ R^{2} - 2x^{2} = y^{2}+z^{2} - x^{2} $$ 于是 $$ \mathrm{d}u = \frac{y^{2}+z^{2}-x^{2}}{(x^{2}+y^{2}+z^{2})^{2}}\mathrm{d}x - \frac{2xy}{(x^{2}+y^{2}+z^{2})^{2}}\mathrm{d}y - \frac{2xz}{(x^{2}+y^{2}+z^{2})^{2}}\mathrm{d}z $$

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**第四步:由全微分形式直接读出偏导数** 由 $$ \mathrm{d}u = \frac{\partial u}{\partial x}\mathrm{d}x + \frac{\partial u}{\partial y}\mathrm{d}y + \frac{\partial u}{\partial z}\mathrm{d}z $$ 对比系数得: $$ \displaystyle\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{y^{2}+z^{2}-x^{2}}{(x^{2}+y^{2}+z^{2})^{2}} $$ $$ \displaystyle\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{2xy}{(x^{2}+y^{2}+z^{2})^{2}} $$ $$ \displaystyle\frac{\partial u}{\partial z} = -\frac{2xz}{(x^{2}+y^{2}+z^{2})^{2}} $$

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**最终答案** $$ \boxed{\displaystyle\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{y^{2}+z^{2}-x^{2}}{(x^{2}+y^{2}+z^{2})^{2}},\quad \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{2xy}{(x^{2}+y^{2}+z^{2})^{2}},\quad \frac{\partial u}{\partial z} = -\frac{2xz}{(x^{2}+y^{2}+z^{2})^{2}}} $$

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难度:★★☆☆☆ (计算过程稍长,但方法固定,属于中等偏易题型)

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:将函数写成便于微分的形式
令 $u = x \cdot (x^2+y^2+z^2)^{-1}$,并记 $R^2 = x^2+y^2+z^2$,则 $u = x R^{-2}$。
公式:$u = x R^{-2}$
提示:引入中间变量 $R$ 可以简化微分运算。
步骤 2/4
目标:对两边取全微分
利用乘积法则:$\mathrm{d}u = \mathrm{d}x \cdot R^{-2} + x \cdot \mathrm{d}(R^{-2})$。计算 $\mathrm{d}(R^{-2}) = -2 R^{-3} \mathrm{d}R$,而 $\mathrm{d}R = \frac{x}{R}\mathrm{d}x + \frac{y}{R}\mathrm{d}y + \frac{z}{R}\mathrm{d}z$。
公式:$\mathrm{d}u = R^{-2}\mathrm{d}x - 2x R^{-3} \mathrm{d}R$
提示:注意 $R$ 是 $x,y,z$ 的函数,需先求 $\mathrm{d}R$。
步骤 3/4
目标:代入并整理
将 $\mathrm{d}R$ 代入得 $\mathrm{d}u = \frac{1}{R^2}\mathrm{d}x - \frac{2x}{R^4}(x\mathrm{d}x + y\mathrm{d}y + z\mathrm{d}z)$,合并 $\mathrm{d}x$ 系数:$\frac{1}{R^2} - \frac{2x^2}{R^4} = \frac{R^2-2x^2}{R^4} = \frac{y^2+z^2-x^2}{R^4}$。因此 $\mathrm{d}u = \frac{y^2+z^2-x^2}{R^4}\mathrm{d}x - \frac{2xy}{R^4}\mathrm{d}y - \frac{2xz}{R^4}\mathrm{d}z$。
公式:$\mathrm{d}u = \frac{y^2+z^2-x^2}{(x^2+y^2+z^2)^2}\mathrm{d}x - \frac{2xy}{(x^2+y^2+z^2)^2}\mathrm{d}y - \frac{2xz}{(x^2+y^2+z^2)^2}\mathrm{d}z$
提示:注意 $R^4 = (x^2+y^2+z^2)^2$。
步骤 4/4
目标:由全微分形式直接读出偏导数
比较 $\mathrm{d}u = \frac{\partial u}{\partial x}\mathrm{d}x + \frac{\partial u}{\partial y}\mathrm{d}y + \frac{\partial u}{\partial z}\mathrm{d}z$ 得:$\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{y^2+z^2-x^2}{(x^2+y^2+z^2)^2}$,$\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{2xy}{(x^2+y^2+z^2)^2}$,$\frac{\partial u}{\partial z} = -\frac{2xz}{(x^2+y^2+z^2)^2}$。
公式:$\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{y^2+z^2-x^2}{(x^2+y^2+z^2)^2}$,$\frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{2xy}{(x^2+y^2+z^2)^2}$,$\frac{\partial u}{\partial z} = -\frac{2xz}{(x^2+y^2+z^2)^2}$
提示:全微分形式不变性:$\mathrm{d}u$ 的系数即为偏导数。

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