同济高数 第9章 第9-2-4题

教材习题

📝 题目

4.设 $\displaystyle z=\mathrm{e}^{-\left(\frac{1}{x}+\frac{1}{y}\right)}$ ,求证 $\displaystyle x^{2} \frac{\partial z}{\partial x}+y^{2} \frac{\partial z}{\partial y}=2 z$ .

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答] 已知 $$ z = e^{-\left(\frac{1}{x}+\frac{1}{y}\right)}. $$ 先求偏导数 $\frac{\partial z}{\partial x}$。将 $y$ 视为常数,利用链式法则: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = e^{-\left(\frac{1}{x}+\frac{1}{y}\right)} \cdot \frac{\partial}{\partial x}\left(-\frac{1}{x} - \frac{1}{y}\right) = z \cdot \left( \frac{1}{x^{2}} \right), $$ 因为 $$ \frac{\partial}{\partial x}\left(-\frac{1}{x}\right) = \frac{1}{x^{2}}. $$ 所以 $$ \frac{\partial z}{\partial x} = \frac{z}{x^{2}}. $$

同理,对 $y$ 求偏导: $$ \frac{\partial z}{\partial y} = e^{-\left(\frac{1}{x}+\frac{1}{y}\right)} \cdot \frac{\partial}{\partial y}\left(-\frac{1}{x} - \frac{1}{y}\right) = z \cdot \left( \frac{1}{y^{2}} \right), $$ 即 $$ \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{z}{y^{2}}. $$

现在计算 $$ x^{2} \frac{\partial z}{\partial x} + y^{2} \frac{\partial z}{\partial y} = x^{2} \cdot \frac{z}{x^{2}} + y^{2} \cdot \frac{z}{y^{2}} = z + z = 2z. $$

因此等式成立。

难度:★☆☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:求偏导数 ∂z/∂x
将 y 视为常数,对 x 求导。利用链式法则:∂z/∂x = e^{-(1/x+1/y)} * ∂/∂x(-1/x - 1/y) = z * (1/x^2)。
公式:∂z/∂x = z / x^2
提示:注意指数函数的导数,以及 1/x 的导数是 -1/x^2,负号抵消后得正。
步骤 2/3
目标:求偏导数 ∂z/∂y
将 x 视为常数,对 y 求导。同理得 ∂z/∂y = e^{-(1/x+1/y)} * ∂/∂y(-1/x - 1/y) = z * (1/y^2)。
公式:∂z/∂y = z / y^2
提示:对称性,与 ∂z/∂x 类似。
步骤 3/3
目标:计算 x^2 ∂z/∂x + y^2 ∂z/∂y
代入偏导数:x^2 * (z/x^2) + y^2 * (z/y^2) = z + z = 2z。
公式:x^2 ∂z/∂x + y^2 ∂z/∂y = 2z
提示:化简时注意约分。

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