kaoyan1basic 高等数学 第93题

教材习题

📝 题目

### 第93题 设函数 $f(u, v)$ 具有二阶连续偏导数,且满足 $\displaystyle 4 \frac{\partial^{2} f}{\partial u^{2}}-\frac{\partial^{2} f}{\partial v^{2}}=1$ ,又 $g(x, y)=f\left(x^{2}+\right. \left.y^{2}, x y\right)$ ,则 $\displaystyle \frac{\partial^{2} g}{\partial x^{2}}-\frac{\partial^{2} g}{\partial y^{2}}=$ $\_\_\_\_$ .

💡 答案解析

**答案**:$x^2 + y^2$ **解析**: 步骤1:$g(x,y) = f(x^2+y^2, xy)$,令$u = x^2+y^2$,$v = xy$。 步骤2:$\displaystyle \frac{\partial g}{\partial x} = f_u \cdot 2x + f_v \cdot y$,$\displaystyle \frac{\partial^2 g}{\partial x^2} = 2f_u + 4x^2 f_{uu} + 2xy f_{uv} + y^2 f_{vv}$。 步骤3:$\displaystyle \frac{\partial g}{\partial y} = f_u \cdot 2y + f_v \cdot x$,$\displaystyle \frac{\partial^2 g}{\partial y^2} = 2f_u + 4y^2 f_{uu} + 2xy f_{uv} + x^2 f_{vv}$。 步骤4:$\displaystyle \frac{\partial^2 g}{\partial x^2} - \frac{\partial^2 g}{\partial y^2} = (4x^2 - 4y^2) f_{uu} + (y^2 - x^2) f_{vv} = (x^2 - y^2)(4f_{uu} - f_{vv})$。 步骤5:由已知$4f_{uu} - f_{vv} = 1$,故原式$= x^2 - y^2$。 **难度**:★★★★★

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:引入中间变量
令 u = x^2 + y^2, v = xy,则 g(x,y) = f(u,v)。
提示:注意 u 和 v 是 x,y 的函数。
步骤 2/6
目标:计算一阶偏导数
∂g/∂x = f_u·2x + f_v·y;∂g/∂y = f_u·2y + f_v·x。
公式:∂g/∂x = 2x f_u + y f_v
提示:使用链式法则。
步骤 3/6
目标:计算二阶偏导数 ∂²g/∂x²
对 ∂g/∂x 再求 x 的偏导:∂²g/∂x² = 2f_u + 2x(2x f_uu + y f_uv) + y(2x f_vu + y f_vv) = 2f_u + 4x² f_uu + 2xy f_uv + 2xy f_vu + y² f_vv。由于 f 具有二阶连续偏导,f_uv = f_vu,故 ∂²g/∂x² = 2f_u + 4x² f_uu + 4xy f_uv + y² f_vv。
公式:∂²g/∂x² = 2f_u + 4x² f_uu + 4xy f_uv + y² f_vv
提示:注意乘积法则和链式法则。
步骤 4/6
目标:计算二阶偏导数 ∂²g/∂y²
类似地,∂²g/∂y² = 2f_u + 4y² f_uu + 4xy f_uv + x² f_vv。
公式:∂²g/∂y² = 2f_u + 4y² f_uu + 4xy f_uv + x² f_vv
提示:对称性。
步骤 5/6
目标:计算目标表达式
∂²g/∂x² - ∂²g/∂y² = (4x² - 4y²) f_uu + (y² - x²) f_vv = (x² - y²)(4f_uu - f_vv)。
公式:∂²g/∂x² - ∂²g/∂y² = (x² - y²)(4f_uu - f_vv)
提示:合并同类项。
步骤 6/6
目标:代入已知条件
由已知 4f_uu - f_vv = 1,故原式 = x² - y²。
提示:直接代入。

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