同济高数 第9章 第9-9-3题

教材习题

📝 题目

3.求函数 $f(x, y)=\sin x \sin y$ 在点 $\displaystyle \left(\frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4}\right)$ 的二阶泰勒公式.

💡 答案解析

[AI解答]

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我们要求函数 $ f(x, y) = \sin x \sin y $ 在点 $\left( \frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4} \right)$ 的二阶泰勒展开。

首先,记展开点为 $$ (x_0, y_0) = \left( \frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4} \right) $$

**第一步:计算函数值及一阶、二阶偏导数**

函数: $$ f(x, y) = \sin x \sin y $$

一阶偏导: $$ f_x = \cos x \sin y, \quad f_y = \sin x \cos y $$

二阶偏导: $$ f_{xx} = -\sin x \sin y, \quad f_{yy} = -\sin x \sin y, \quad f_{xy} = \cos x \cos y $$

**第二步:在点 $\left( \frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4} \right)$ 处取值**

已知: $$ \sin \frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2}, \quad \cos \frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2} $$

所以: $$ f\left( \frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4} \right) = \frac{\sqrt{2}}{2} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{1}{2} $$

一阶偏导值: $$ f_x\left( \frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4} \right) = \frac{\sqrt{2}}{2} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{1}{2} $$ $$ f_y\left( \frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4} \right) = \frac{\sqrt{2}}{2} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{1}{2} $$

二阶偏导值: $$ f_{xx}\left( \frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4} \right) = -\frac{1}{2}, \quad f_{yy}\left( \frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4} \right) = -\frac{1}{2}, \quad f_{xy}\left( \frac{\pi}{4}, \frac{\pi}{4} \right) = \frac{1}{2} $$

**第三步:写出二阶泰勒公式**

二元函数在 $(x_0, y_0)$ 处的二阶泰勒展开为: $$ f(x, y) = f(x_0, y_0) + f_x (x-x_0) + f_y (y-y_0) + \frac{1}{2!} \left[ f_{xx} (x-x_0)^2 + 2 f_{xy} (x-x_0)(y-y_0) + f_{yy} (y-y_0)^2 \right] + R_2 $$

代入数值: $$ f(x, y) = \frac{1}{2} + \frac{1}{2}\left(x - \frac{\pi}{4}\right) + \frac{1}{2}\left(y - \frac{\pi}{4}\right) + \frac{1}{2} \left[ -\frac{1}{2} \left(x - \frac{\pi}{4}\right)^2 + 2\cdot \frac{1}{2} \left(x - \frac{\pi}{4}\right)\left(y - \frac{\pi}{4}\right) - \frac{1}{2} \left(y - \frac{\pi}{4}\right)^2 \right] + R_2 $$

化简二次项部分: $$ \frac{1}{2} \left[ -\frac{1}{2} (x - \frac{\pi}{4})^2 + (x - \frac{\pi}{4})(y - \frac{\pi}{4}) - \frac{1}{2} (y - \frac{\pi}{4})^2 \right] $$ $$ = -\frac{1}{4} (x - \frac{\pi}{4})^2 + \frac{1}{2} (x - \frac{\pi}{4})(y - \frac{\pi}{4}) - \frac{1}{4} (y - \frac{\pi}{4})^2 $$

因此二阶泰勒公式为: $$ \boxed{f(x, y) = \frac{1}{2} + \frac{1}{2}\left(x - \frac{\pi}{4}\right) + \frac{1}{2}\left(y - \frac{\pi}{4}\right) - \frac{1}{4}\left(x - \frac{\pi}{4}\right)^2 + \frac{1}{2}\left(x - \frac{\pi}{4}\right)\left(y - \frac{\pi}{4}\right) - \frac{1}{4}\left(y - \frac{\pi}{4}\right)^2 + R_2} $$

其中 $R_2$ 为拉格朗日余项或佩亚诺余项。

难度:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:计算函数值及一阶、二阶偏导数
函数 f(x,y)=sin x sin y 的一阶偏导:f_x=cos x sin y, f_y=sin x cos y;二阶偏导:f_xx=-sin x sin y, f_yy=-sin x sin y, f_xy=cos x cos y。
公式:f_x=cos x sin y, f_y=sin x cos y; f_xx=-sin x sin y, f_yy=-sin x sin y, f_xy=cos x cos y
提示:注意求导顺序,混合偏导相等。
步骤 2/3
目标:在点 (π/4, π/4) 处取值
sin(π/4)=√2/2, cos(π/4)=√2/2。f=1/2, f_x=1/2, f_y=1/2, f_xx=-1/2, f_yy=-1/2, f_xy=1/2。
提示:代入时注意符号。
步骤 3/3
目标:写出二阶泰勒公式
泰勒公式:f(x,y)=f(x0,y0)+f_x(x-x0)+f_y(y-y0)+1/2[f_xx(x-x0)^2+2f_xy(x-x0)(y-y0)+f_yy(y-y0)^2]+R2。代入数值并化简得:1/2+1/2(x-π/4)+1/2(y-π/4)-1/4(x-π/4)^2+1/2(x-π/4)(y-π/4)-1/4(y-π/4)^2+R2。
公式:f(x,y)=f(x0,y0)+f_x(x-x0)+f_y(y-y0)+1/2[f_xx(x-x0)^2+2f_xy(x-x0)(y-y0)+f_yy(y-y0)^2]+R2
提示:注意二次项系数1/2因子。

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