同济高数 第9章 第9-2-7题

教材习题

📝 题目

7.求下列函数的 $\displaystyle \frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}}, \frac{\partial^{2} z}{\partial y^{2}}$ 和 $\displaystyle \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y}$ : (1)$z=x^{4}+y^{4}-4 x^{2} y^{2}$ ; (2)$\displaystyle z=\arctan \frac{y}{x}$ ; (3)$z=y^{x}$ .

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答]

**(1)** $ z = x^{4} + y^{4} - 4x^{2}y^{2} $

先求一阶偏导: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = 4x^{3} - 8x y^{2}, \quad \frac{\partial z}{\partial y} = 4y^{3} - 8x^{2}y $$

再求二阶偏导: $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}} = \frac{\partial}{\partial x}(4x^{3} - 8x y^{2}) = 12x^{2} - 8y^{2} $$ $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial y^{2}} = \frac{\partial}{\partial y}(4y^{3} - 8x^{2}y) = 12y^{2} - 8x^{2} $$ $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial y}(4x^{3} - 8x y^{2}) = -16xy $$

---

**(2)** $ z = \arctan \frac{y}{x} $

一阶偏导: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = \frac{1}{1+(y/x)^{2}} \cdot \left(-\frac{y}{x^{2}}\right) = -\frac{y}{x^{2}+y^{2}} $$ $$ \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{1}{1+(y/x)^{2}} \cdot \frac{1}{x} = \frac{x}{x^{2}+y^{2}} $$

二阶偏导: $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}} = \frac{\partial}{\partial x}\left(-\frac{y}{x^{2}+y^{2}}\right) = -y \cdot \frac{-2x}{(x^{2}+y^{2})^{2}} = \frac{2xy}{(x^{2}+y^{2})^{2}} $$ $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial y^{2}} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{x}{x^{2}+y^{2}}\right) = x \cdot \frac{-2y}{(x^{2}+y^{2})^{2}} = -\frac{2xy}{(x^{2}+y^{2})^{2}} $$ $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial y}\left(-\frac{y}{x^{2}+y^{2}}\right) = -\frac{(x^{2}+y^{2}) - y(2y)}{(x^{2}+y^{2})^{2}} = -\frac{x^{2} - y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}} $$

---

**(3)** $ z = y^{x} $

改写为指数形式:$ z = e^{x \ln y} $

一阶偏导: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = e^{x\ln y} \cdot \ln y = y^{x} \ln y $$ $$ \frac{\partial z}{\partial y} = e^{x\ln y} \cdot \frac{x}{y} = x y^{x-1} $$

二阶偏导: $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}} = \frac{\partial}{\partial x}(y^{x} \ln y) = y^{x} (\ln y)^{2} $$ $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial y^{2}} = \frac{\partial}{\partial y}(x y^{x-1}) = x (x-1) y^{x-2} $$ $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial y}(y^{x} \ln y) = \ln y \cdot x y^{x-1} + y^{x} \cdot \frac{1}{y} = x y^{x-1} \ln y + y^{x-1} $$ 也可以写作: $$ \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y} = y^{x-1} (x \ln y + 1) $$

---

**难度评级**:★★☆☆☆ (主要考察基本偏导计算与链式法则,步骤直接,无复杂技巧)

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:求(1)的一阶偏导
对z=x^4+y^4-4x^2y^2分别求关于x和y的偏导:∂z/∂x=4x^3-8xy^2,∂z/∂y=4y^3-8x^2y。
公式:∂z/∂x=4x^3-8xy^2,∂z/∂y=4y^3-8x^2y
提示:使用幂函数求导法则,注意y视为常数。
步骤 2/6
目标:求(1)的二阶偏导
对一阶偏导继续求导:∂²z/∂x²=12x^2-8y^2,∂²z/∂y²=12y^2-8x^2,∂²z/∂x∂y=-16xy。
公式:∂²z/∂x²=12x^2-8y^2,∂²z/∂y²=12y^2-8x^2,∂²z/∂x∂y=-16xy
提示:混合偏导可先对x求偏导再对y求偏导。
步骤 3/6
目标:求(2)的一阶偏导
z=arctan(y/x),利用链式法则:∂z/∂x=-y/(x^2+y^2),∂z/∂y=x/(x^2+y^2)。
公式:∂z/∂x=-y/(x^2+y^2),∂z/∂y=x/(x^2+y^2)
提示:注意arctan的导数公式及复合函数求导。
步骤 4/6
目标:求(2)的二阶偏导
对一阶偏导求导:∂²z/∂x²=2xy/(x^2+y^2)^2,∂²z/∂y²=-2xy/(x^2+y^2)^2,∂²z/∂x∂y=-(x^2-y^2)/(x^2+y^2)^2。
公式:∂²z/∂x²=2xy/(x^2+y^2)^2,∂²z/∂y²=-2xy/(x^2+y^2)^2,∂²z/∂x∂y=-(x^2-y^2)/(x^2+y^2)^2
提示:使用商的导数或直接对分式求导。
步骤 5/6
目标:求(3)的一阶偏导
z=y^x,改写为e^{x ln y}:∂z/∂x=y^x ln y,∂z/∂y=x y^{x-1}。
公式:∂z/∂x=y^x ln y,∂z/∂y=x y^{x-1}
提示:指数函数求导,注意y^x不是幂函数。
步骤 6/6
目标:求(3)的二阶偏导
对一阶偏导求导:∂²z/∂x²=y^x (ln y)^2,∂²z/∂y²=x(x-1)y^{x-2},∂²z/∂x∂y=y^{x-1}(x ln y+1)。
公式:∂²z/∂x²=y^x (ln y)^2,∂²z/∂y²=x(x-1)y^{x-2},∂²z/∂x∂y=y^{x-1}(x ln y+1)
提示:混合偏导可先对x求偏导再对y求偏导,注意乘积法则。

📷 拍照上传批改

拍照上传批改功能已预留入口,后续接入图片上传、OCR识别与AI批改。