人邮高数 第6章 第6-3-20题

教材习题

📝 题目

20.设 $z=x y+u, u=\varphi(x, y)$ ,求 $\displaystyle \frac{\partial z}{\partial x} 、 \frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}} 、 \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y}$ .

💡 答案解析

[AI解答]

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已知: $$ z = x y + u, \quad u = \varphi(x, y) $$ 其中 $\varphi$ 具有二阶连续偏导数。

首先求一阶偏导 $\displaystyle \frac{\partial z}{\partial x}$: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x}(x y) + \frac{\partial u}{\partial x} = y + \frac{\partial \varphi}{\partial x} $$ 记 $\displaystyle \varphi_x = \frac{\partial \varphi}{\partial x}$,则: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = y + \varphi_x $$

再求二阶偏导 $\displaystyle \frac{\partial^2 z}{\partial x^2}$: $$ \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x}\left( y + \varphi_x \right) = 0 + \frac{\partial \varphi_x}{\partial x} = \varphi_{xx} $$ 其中 $\displaystyle \varphi_{xx} = \frac{\partial^2 \varphi}{\partial x^2}$。

最后求混合偏导 $\displaystyle \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$: $$ \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial y}\left( \frac{\partial z}{\partial x} \right) = \frac{\partial}{\partial y}\left( y + \varphi_x \right) = 1 + \frac{\partial \varphi_x}{\partial y} = 1 + \varphi_{xy} $$ 其中 $\displaystyle \varphi_{xy} = \frac{\partial^2 \varphi}{\partial y \partial x}$,由连续性假设有 $\varphi_{xy} = \varphi_{yx}$。

因此结果为: $$ \boxed{\frac{\partial z}{\partial x} = y + \varphi_x,\quad \frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}} = \varphi_{xx},\quad \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y} = 1 + \varphi_{xy}} $$

难度:★☆☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:求一阶偏导 ∂z/∂x
将 z = xy + u 对 x 求偏导,其中 u = φ(x,y)。∂z/∂x = ∂(xy)/∂x + ∂u/∂x = y + φ_x。
公式:∂z/∂x = y + φ_x
提示:注意 u 是 x 和 y 的函数,求偏导时需使用链式法则。
步骤 2/3
目标:求二阶偏导 ∂²z/∂x²
对 ∂z/∂x = y + φ_x 再对 x 求偏导。∂²z/∂x² = ∂(y)/∂x + ∂(φ_x)/∂x = 0 + φ_xx = φ_xx。
公式:∂²z/∂x² = φ_xx
提示:y 视为常数,φ_x 对 x 求导得 φ_xx。
步骤 3/3
目标:求混合偏导 ∂²z/∂x∂y
对 ∂z/∂x = y + φ_x 再对 y 求偏导。∂²z/∂x∂y = ∂(y)/∂y + ∂(φ_x)/∂y = 1 + φ_xy。
公式:∂²z/∂x∂y = 1 + φ_xy
提示:由于 φ 具有二阶连续偏导数,φ_xy = φ_yx。

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