人邮高数 第6章 第6-3-34题

教材习题

📝 题目

34.求函数 $u=x y^{2}+z^{3}-x y z$ 在点 $(1,1,2)$ 处沿方向角 $\displaystyle \alpha=\frac{\pi}{3}, \beta=\frac{\pi}{4}, \gamma=\frac{\pi}{3}$ 的方向的方向导数.

💡 答案解析

[AI解答]

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首先,方向导数的计算公式为: $$ \frac{\partial u}{\partial \mathbf{l}} = \frac{\partial u}{\partial x} \cos\alpha + \frac{\partial u}{\partial y} \cos\beta + \frac{\partial u}{\partial z} \cos\gamma $$ 其中方向角对应的方向余弦为: $$ \cos\alpha = \cos\frac{\pi}{3} = \frac{1}{2},\quad \cos\beta = \cos\frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2},\quad \cos\gamma = \cos\frac{\pi}{3} = \frac{1}{2}. $$

第一步,求函数 $u = x y^{2} + z^{3} - x y z$ 的三个偏导数: $$ \frac{\partial u}{\partial x} = y^{2} - y z, $$ $$ \frac{\partial u}{\partial y} = 2xy - x z, $$ $$ \frac{\partial u}{\partial z} = 3z^{2} - x y. $$

第二步,代入点 $(1,1,2)$: $$ \left.\frac{\partial u}{\partial x}\right|_{(1,1,2)} = 1^{2} - 1 \cdot 2 = 1 - 2 = -1, $$ $$ \left.\frac{\partial u}{\partial y}\right|_{(1,1,2)} = 2\cdot 1 \cdot 1 - 1 \cdot 2 = 2 - 2 = 0, $$ $$ \left.\frac{\partial u}{\partial z}\right|_{(1,1,2)} = 3\cdot 2^{2} - 1 \cdot 1 = 12 - 1 = 11. $$

第三步,代入方向导数公式: $$ \frac{\partial u}{\partial \mathbf{l}} = (-1)\cdot\frac{1}{2} + 0\cdot\frac{\sqrt{2}}{2} + 11\cdot\frac{1}{2} = -\frac{1}{2} + \frac{11}{2} = \frac{10}{2} = 5. $$

因此,所求方向导数为: $$ \boxed{5} $$

难度:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:写出方向导数的计算公式
方向导数公式为 ∂u/∂l = ∂u/∂x cosα + ∂u/∂y cosβ + ∂u/∂z cosγ,其中方向角对应的方向余弦为 cosα=cos(π/3)=1/2, cosβ=cos(π/4)=√2/2, cosγ=cos(π/3)=1/2。
公式:∂u/∂l = ∂u/∂x cosα + ∂u/∂y cosβ + ∂u/∂z cosγ
提示:方向余弦满足 cos²α+cos²β+cos²γ=1,可验证。
步骤 2/4
目标:求函数 u 的三个偏导数
∂u/∂x = y² - yz, ∂u/∂y = 2xy - xz, ∂u/∂z = 3z² - xy。
公式:∂u/∂x = y² - yz, ∂u/∂y = 2xy - xz, ∂u/∂z = 3z² - xy
提示:对 x 求偏导时,y、z 视为常数;类似处理其他变量。
步骤 3/4
目标:代入点 (1,1,2) 计算偏导数值
∂u/∂x|_{(1,1,2)} = 1² - 1×2 = -1; ∂u/∂y|_{(1,1,2)} = 2×1×1 - 1×2 = 0; ∂u/∂z|_{(1,1,2)} = 3×2² - 1×1 = 11。
提示:代入时注意符号和运算顺序。
步骤 4/4
目标:代入方向导数公式计算
∂u/∂l = (-1)×(1/2) + 0×(√2/2) + 11×(1/2) = -1/2 + 11/2 = 10/2 = 5。
提示:注意零项可忽略,简化计算。

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