同济高数 第9章 第9-4-1题

教材习题

📝 题目

1.设 $z=u^{2}+v^{2}$ ,而 $u=x+y, v=x-y$ ,求 $\displaystyle \frac{\partial z}{\partial x}, \frac{\partial z}{\partial y}$ .

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答] 已知 $$ z = u^2 + v^2,\quad u = x + y,\quad v = x - y. $$ 先计算中间变量对自变量的偏导数: $$ \frac{\partial u}{\partial x} = 1,\quad \frac{\partial u}{\partial y} = 1,\quad \frac{\partial v}{\partial x} = 1,\quad \frac{\partial v}{\partial y} = -1. $$ 再计算 $z$ 对 $u, v$ 的偏导数: $$ \frac{\partial z}{\partial u} = 2u,\quad \frac{\partial z}{\partial v} = 2v. $$

由链式法则: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial u} \cdot \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial z}{\partial v} \cdot \frac{\partial v}{\partial x} = 2u \cdot 1 + 2v \cdot 1 = 2(u+v). $$ 代入 $u = x+y,\ v = x-y$,得 $$ \frac{\partial z}{\partial x} = 2\big[(x+y)+(x-y)\big] = 2(2x) = 4x. $$

同理, $$ \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\partial z}{\partial u} \cdot \frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial z}{\partial v} \cdot \frac{\partial v}{\partial y} = 2u \cdot 1 + 2v \cdot (-1) = 2(u - v). $$ 代入得 $$ \frac{\partial z}{\partial y} = 2\big[(x+y)-(x-y)\big] = 2(2y) = 4y. $$

因此, $$ \boxed{\frac{\partial z}{\partial x} = 4x,\quad \frac{\partial z}{\partial y} = 4y}. $$

难度:★☆☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/7
目标:明确复合函数关系
已知 z = u^2 + v^2,其中 u = x + y,v = x - y。z 通过中间变量 u, v 依赖于 x, y。
提示:注意复合函数的结构,z 是 u, v 的函数,u, v 是 x, y 的函数。
步骤 2/7
目标:计算中间变量对自变量的偏导数
∂u/∂x = 1,∂u/∂y = 1,∂v/∂x = 1,∂v/∂y = -1。
提示:u = x+y,v = x-y,直接求偏导。
步骤 3/7
目标:计算外层函数对中间变量的偏导数
∂z/∂u = 2u,∂z/∂v = 2v。
提示:z = u^2+v^2,对 u 求偏导时 v 视为常数。
步骤 4/7
目标:应用链式法则求 ∂z/∂x
∂z/∂x = (∂z/∂u)(∂u/∂x) + (∂z/∂v)(∂v/∂x) = 2u·1 + 2v·1 = 2(u+v)。
公式:链式法则:∂z/∂x = ∂z/∂u * ∂u/∂x + ∂z/∂v * ∂v/∂x
提示:注意求和,因为有两个中间变量。
步骤 5/7
目标:代入 u, v 化简 ∂z/∂x
代入 u = x+y,v = x-y,得 ∂z/∂x = 2[(x+y)+(x-y)] = 2(2x) = 4x。
提示:化简时注意合并同类项。
步骤 6/7
目标:应用链式法则求 ∂z/∂y
∂z/∂y = (∂z/∂u)(∂u/∂y) + (∂z/∂v)(∂v/∂y) = 2u·1 + 2v·(-1) = 2(u - v)。
公式:链式法则:∂z/∂y = ∂z/∂u * ∂u/∂y + ∂z/∂v * ∂v/∂y
提示:注意 ∂v/∂y = -1。
步骤 7/7
目标:代入 u, v 化简 ∂z/∂y
代入 u = x+y,v = x-y,得 ∂z/∂y = 2[(x+y)-(x-y)] = 2(2y) = 4y。
提示:化简时注意符号。

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