方企勤 第五章 多元函数微分学 第3题

教材习题

📝 题目

例 3 给定曲面 $F\left( {\frac{x - a}{z - c},\frac{y - b}{z - c}}\right) = 0\left( {a,b,c\text{ 为常数 }}\right)$ ,或由它确定的曲面 $z = z\left( {x,y}\right)$ . 证明:

(1)曲面的切平面通过一个定点;

(2)函数 $z = z\left( {x,y}\right)$ 满足方程 $\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} \cdot \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}} - {\left( \frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y}\right) }^{2} = 0$ .

💡 答案解析

证(1)因

$$ \left\{ \begin{array}{l} {F}_{1}^{\prime } \cdot \left( {\frac{1}{z - c} - \frac{x - a}{{\left( z - c\right) }^{2}}\frac{\partial z}{\partial x}}\right) + {F}_{2}^{\prime } \cdot \left( {-\frac{y - b}{{\left( z - c\right) }^{2}}\frac{\partial z}{\partial x}}\right) = 0, \\ {F}_{1}^{\prime } \cdot \left( {-\frac{x - a}{{\left( z - c\right) }^{2}}\frac{\partial z}{\partial y}}\right) + {F}_{2}^{\prime } \cdot \left( {\frac{1}{z - c} - \frac{y - b}{{\left( z - c\right) }^{2}}\frac{\partial z}{\partial y}}\right) = 0 \end{array}\right. $$

及 ${F}_{1}^{\prime }$ 与 ${F}_{2}^{\prime }$ 不能同时为零,得出

$$ \left| \begin{matrix} \left( {z - c}\right) - \left( {x - a}\right) \frac{\partial z}{\partial x} & - \left( {y - b}\right) \frac{\partial z}{\partial x} \\ - \left( {x - a}\right) \frac{\partial z}{\partial y} & \left( {z - c}\right) - \left( {y - b}\right) \frac{\partial z}{\partial y} \end{matrix}\right| = 0, $$

化简得

$$ \left( {x - a}\right) \frac{\partial z}{\partial x} + \left( {y - b}\right) \frac{\partial z}{\partial y} = z - c. $$

把它与过(a, b, c)点的切平面方程比较,即知曲面 $z = z\left( {x,y}\right)$ 的切平面过定点(a, b, c).

(2)对上式再求偏导数, 得

$$ \left\{ \begin{array}{l} \frac{\partial z}{\partial x} + \left( {x - a}\right) \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} + \left( {y - b}\right) \frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y} = \frac{\partial z}{\partial x}, \\ \left( {x - a}\right) \frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y} + \frac{\partial z}{\partial y} + \left( {y - b}\right) \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}} = \frac{\partial z}{\partial y}, \end{array}\right. $$

化简得

$$ \left\{ \begin{array}{l} \left( {x - a}\right) \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} = - \left( {y - b}\right) \frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y}, \\ \left( {y - b}\right) \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}} = - \left( {x - a}\right) \frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y}. \end{array}\right. $$

当 $\left( {x - a}\right) \left( {y - b}\right) \neq 0$ 时,即可看出 $\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} \cdot \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}} = {\left( \frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y}\right) }^{2}$ 成立. 由函数连续可微性,知上式对 $x = a$ 或 $y = b$ 时也成立.

📋 详细解题步骤

步骤 1/2
目标:证明切平面通过定点
设曲面由方程 F((x-a)/(z-c), (y-b)/(z-c))=0 确定,其中 z=z(x,y)。对 F 求偏导,得到关于 ∂z/∂x 和 ∂z/∂y 的方程组。由于 F1' 和 F2' 不全为零,系数行列式为零,化简得到 (x-a)∂z/∂x + (y-b)∂z/∂y = z-c。该式表明曲面在任意点 (x,y,z) 处的切平面方程为 (X-x)∂z/∂x + (Y-y)∂z/∂y = Z-z,代入 (a,b,c) 验证满足,故切平面过定点 (a,b,c)。
公式:(x-a)∂z/∂x + (y-b)∂z/∂y = z-c
提示:注意利用隐函数求导法则,并考虑 F1' 和 F2' 不全为零的条件。
步骤 2/2
目标:证明函数满足二阶偏导方程
对 (x-a)∂z/∂x + (y-b)∂z/∂y = z-c 两边分别关于 x 和 y 求偏导,得到两个方程。化简后得到 (x-a)∂²z/∂x² = -(y-b)∂²z/∂x∂y 和 (y-b)∂²z/∂y² = -(x-a)∂²z/∂x∂y。当 (x-a)(y-b)≠0 时,两式相乘可得 ∂²z/∂x²·∂²z/∂y² = (∂²z/∂x∂y)²。由连续性,该式在 x=a 或 y=b 时也成立。
公式:∂²z/∂x²·∂²z/∂y² = (∂²z/∂x∂y)²
提示:注意分情况讨论,利用连续性推广到边界情况。

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