同济高数 第9章 第9-4-12题

教材习题

📝 题目

12.设 $z=f\left(x^{2}+y^{2}\right)$ ,其中 $f$ 具有二阶导数,求 $\displaystyle \frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}}, \frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y}, \frac{\partial^{2} z}{\partial y^{2}}$ .

💡 答案解析

[AI解答]

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已知 $ z = f(x^2 + y^2) $,其中 $ f $ 具有二阶导数。令 $$ u = x^2 + y^2, $$ 则 $$ z = f(u). $$

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**第一步:求一阶偏导数**

对 $ x $ 求偏导: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = f'(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial x} = f'(u) \cdot 2x. $$

对 $ y $ 求偏导: $$ \frac{\partial z}{\partial y} = f'(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial y} = f'(u) \cdot 2y. $$

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**第二步:求二阶偏导数**

1. 求 $\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}$:

由 $\frac{\partial z}{\partial x} = 2x f'(u)$,再对 $x$ 求偏导: $$ \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = 2 f'(u) + 2x \cdot f''(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial x}. $$ 而 $\frac{\partial u}{\partial x} = 2x$,所以 $$ \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = 2 f'(u) + 2x \cdot f''(u) \cdot 2x = 2 f'(u) + 4x^2 f''(u). $$

2. 求 $\frac{\partial^2 z}{\partial y^2}$:

同理,由 $\frac{\partial z}{\partial y} = 2y f'(u)$,再对 $y$ 求偏导: $$ \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = 2 f'(u) + 2y \cdot f''(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial y} = 2 f'(u) + 2y \cdot f''(u) \cdot 2y = 2 f'(u) + 4y^2 f''(u). $$

3. 求 $\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$:

由 $\frac{\partial z}{\partial x} = 2x f'(u)$,再对 $y$ 求偏导: $$ \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = 2x \cdot f''(u) \cdot \frac{\partial u}{\partial y} = 2x \cdot f''(u) \cdot 2y = 4xy f''(u). $$

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**最终结果:** $$ \boxed{\frac{\partial^{2} z}{\partial x^{2}} = 2 f'(x^2+y^2) + 4x^2 f''(x^2+y^2)} $$ $$ \boxed{\frac{\partial^{2} z}{\partial y^{2}} = 2 f'(x^2+y^2) + 4y^2 f''(x^2+y^2)} $$ $$ \boxed{\frac{\partial^{2} z}{\partial x \partial y} = 4xy f''(x^2+y^2)} $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:引入中间变量 u = x^2 + y^2,将 z 表示为复合函数 z = f(u)。
令 u = x^2 + y^2,则 z = f(u)。
公式:u = x^2 + y^2
提示:复合函数求导的关键是正确识别中间变量。
步骤 2/5
目标:求一阶偏导数 ∂z/∂x 和 ∂z/∂y。
∂z/∂x = f'(u) * ∂u/∂x = f'(u) * 2x;∂z/∂y = f'(u) * ∂u/∂y = f'(u) * 2y。
公式:∂z/∂x = 2x f'(u), ∂z/∂y = 2y f'(u)
提示:注意 f'(u) 是中间变量 u 的函数。
步骤 3/5
目标:求二阶偏导数 ∂²z/∂x²。
对 ∂z/∂x = 2x f'(u) 再对 x 求偏导:∂²z/∂x² = 2 f'(u) + 2x * f''(u) * ∂u/∂x = 2 f'(u) + 2x * f''(u) * 2x = 2 f'(u) + 4x² f''(u)。
公式:∂²z/∂x² = 2 f'(u) + 4x² f''(u)
提示:使用乘积法则和链式法则。
步骤 4/5
目标:求二阶偏导数 ∂²z/∂y²。
对 ∂z/∂y = 2y f'(u) 再对 y 求偏导:∂²z/∂y² = 2 f'(u) + 2y * f''(u) * ∂u/∂y = 2 f'(u) + 2y * f''(u) * 2y = 2 f'(u) + 4y² f''(u)。
公式:∂²z/∂y² = 2 f'(u) + 4y² f''(u)
提示:与 ∂²z/∂x² 对称,只需将 x 换成 y。
步骤 5/5
目标:求混合偏导数 ∂²z/∂x∂y。
对 ∂z/∂x = 2x f'(u) 再对 y 求偏导:∂²z/∂x∂y = 2x * f''(u) * ∂u/∂y = 2x * f''(u) * 2y = 4xy f''(u)。
公式:∂²z/∂x∂y = 4xy f''(u)
提示:混合偏导数与求导顺序无关,但此处先对 x 后对 y 计算。

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