人邮高数 第6章 第6-3-26题

教材习题

📝 题目

26.设函数 $\displaystyle u=f\left(x y, \frac{x}{y}\right)$ ,其中 $f$ 具有二阶连续偏导数,求 $\displaystyle \frac{\partial^{2} u}{\partial x \partial y}$ .

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答] 已知 $ u = f\left(xy, \frac{x}{y}\right) $,其中 $ f $ 具有二阶连续偏导数。 令 $$ \xi = xy,\quad \eta = \frac{x}{y} $$ 则 $ u = f(\xi, \eta) $。

首先求一阶偏导:

对 $ x $ 求偏导: $$ \frac{\partial u}{\partial x} = f_1 \cdot \frac{\partial \xi}{\partial x} + f_2 \cdot \frac{\partial \eta}{\partial x} = f_1 \cdot y + f_2 \cdot \frac{1}{y} $$ 其中 $ f_1 = \frac{\partial f}{\partial \xi} $,$ f_2 = \frac{\partial f}{\partial \eta} $。

再对 $ y $ 求偏导,即求 $\frac{\partial^2 u}{\partial y \partial x} = \frac{\partial}{\partial y} \left( y f_1 + \frac{1}{y} f_2 \right)$:

$$ \frac{\partial}{\partial y} (y f_1) = f_1 + y \cdot \frac{\partial f_1}{\partial y} $$ 而 $$ \frac{\partial f_1}{\partial y} = f_{11} \cdot \frac{\partial \xi}{\partial y} + f_{12} \cdot \frac{\partial \eta}{\partial y} = f_{11} \cdot x + f_{12} \cdot \left(-\frac{x}{y^2}\right) $$ 所以 $$ \frac{\partial}{\partial y}(y f_1) = f_1 + y\left( x f_{11} - \frac{x}{y^2} f_{12} \right) = f_1 + x y f_{11} - \frac{x}{y} f_{12} $$

再处理第二项: $$ \frac{\partial}{\partial y} \left( \frac{1}{y} f_2 \right) = -\frac{1}{y^2} f_2 + \frac{1}{y} \cdot \frac{\partial f_2}{\partial y} $$ 而 $$ \frac{\partial f_2}{\partial y} = f_{21} \cdot \frac{\partial \xi}{\partial y} + f_{22} \cdot \frac{\partial \eta}{\partial y} = f_{21} \cdot x + f_{22} \cdot \left( -\frac{x}{y^2} \right) $$ 由于 $ f $ 二阶连续偏导,所以 $ f_{12} = f_{21} $。于是 $$ \frac{\partial}{\partial y} \left( \frac{1}{y} f_2 \right) = -\frac{1}{y^2} f_2 + \frac{1}{y} \left( x f_{21} - \frac{x}{y^2} f_{22} \right) = -\frac{1}{y^2} f_2 + \frac{x}{y} f_{12} - \frac{x}{y^3} f_{22} $$

将两部分相加: $$ \frac{\partial^2 u}{\partial x \partial y} = \left( f_1 + x y f_{11} - \frac{x}{y} f_{12} \right) + \left( -\frac{1}{y^2} f_2 + \frac{x}{y} f_{12} - \frac{x}{y^3} f_{22} \right) $$ 其中 $-\frac{x}{y} f_{12} + \frac{x}{y} f_{12} $ 抵消,得到最终结果:

$$ \boxed{\frac{\partial^{2} u}{\partial x \partial y} = f_1 + x y f_{11} - \frac{1}{y^{2}} f_2 - \frac{x}{y^{3}} f_{22}} $$

难度:★★★☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:引入中间变量
令 ξ = xy, η = x/y,则 u = f(ξ, η)。
提示:中间变量替换是处理复合函数求导的常用方法。
步骤 2/6
目标:求一阶偏导 ∂u/∂x
∂u/∂x = f₁·∂ξ/∂x + f₂·∂η/∂x = f₁·y + f₂·(1/y),其中 f₁ = ∂f/∂ξ, f₂ = ∂f/∂η。
公式:∂u/∂x = y f₁ + (1/y) f₂
提示:注意偏导数的链式法则。
步骤 3/6
目标:求二阶混合偏导 ∂²u/∂x∂y
∂²u/∂x∂y = ∂/∂y (y f₁ + (1/y) f₂)。分别对两项求导。
提示:混合偏导顺序可交换,但需注意中间变量对y的依赖。
步骤 4/6
目标:对第一项 y f₁ 求导
∂(y f₁)/∂y = f₁ + y·∂f₁/∂y。而 ∂f₁/∂y = f₁₁·∂ξ/∂y + f₁₂·∂η/∂y = f₁₁·x + f₁₂·(-x/y²)。所以 ∂(y f₁)/∂y = f₁ + y(x f₁₁ - (x/y²) f₁₂) = f₁ + xy f₁₁ - (x/y) f₁₂。
提示:f₁₁ 和 f₁₂ 是 f 的二阶偏导。
步骤 5/6
目标:对第二项 (1/y) f₂ 求导
∂((1/y) f₂)/∂y = -(1/y²) f₂ + (1/y)·∂f₂/∂y。而 ∂f₂/∂y = f₂₁·∂ξ/∂y + f₂₂·∂η/∂y = f₂₁·x + f₂₂·(-x/y²)。由于 f 二阶连续偏导,f₁₂ = f₂₁。所以 ∂((1/y) f₂)/∂y = -(1/y²) f₂ + (1/y)(x f₂₁ - (x/y²) f₂₂) = -(1/y²) f₂ + (x/y) f₁₂ - (x/y³) f₂₂。
提示:利用对称性简化。
步骤 6/6
目标:合并两项
∂²u/∂x∂y = [f₁ + xy f₁₁ - (x/y) f₁₂] + [-(1/y²) f₂ + (x/y) f₁₂ - (x/y³) f₂₂] = f₁ + xy f₁₁ - (1/y²) f₂ - (x/y³) f₂₂。
公式:∂²u/∂x∂y = f₁ + xy f₁₁ - (1/y²) f₂ - (x/y³) f₂₂
提示:注意 -(x/y) f₁₂ 与 (x/y) f₁₂ 抵消。

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