同济高数 第9章 第9-4-7题

教材习题

📝 题目

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

💡 答案解析

[AI解答]

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已知 $ z = \arctan \frac{x}{y} $,且 $ x = u+v $,$ y = u-v $。

首先,由链式法则: $$ \frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial u} $$ $$ \frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial v} $$

计算偏导数: $$ \frac{\partial z}{\partial x} = \frac{1}{1 + \left(\frac{x}{y}\right)^2} \cdot \frac{1}{y} = \frac{y}{x^2 + y^2} $$ $$ \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{1}{1 + \left(\frac{x}{y}\right)^2} \cdot \left(-\frac{x}{y^2}\right) = -\frac{x}{x^2 + y^2} $$

又: $$ \frac{\partial x}{\partial u} = 1,\quad \frac{\partial x}{\partial v} = 1 $$ $$ \frac{\partial y}{\partial u} = 1,\quad \frac{\partial y}{\partial v} = -1 $$

于是: $$ \frac{\partial z}{\partial u} = \frac{y}{x^2+y^2} \cdot 1 + \left(-\frac{x}{x^2+y^2}\right) \cdot 1 = \frac{y - x}{x^2+y^2} $$ $$ \frac{\partial z}{\partial v} = \frac{y}{x^2+y^2} \cdot 1 + \left(-\frac{x}{x^2+y^2}\right) \cdot (-1) = \frac{y + x}{x^2+y^2} $$

相加: $$ \frac{\partial z}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial v} = \frac{(y-x)+(y+x)}{x^2+y^2} = \frac{2y}{x^2+y^2} $$

代入 $ x = u+v $,$ y = u-v $: $$ x^2+y^2 = (u+v)^2 + (u-v)^2 = (u^2+2uv+v^2)+(u^2-2uv+v^2) = 2(u^2+v^2) $$ $$ 2y = 2(u-v) $$

因此: $$ \frac{\partial z}{\partial u}+\frac{\partial z}{\partial v} = \frac{2(u-v)}{2(u^2+v^2)} = \frac{u-v}{u^2+v^2} $$

验证成立。

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:写出链式法则公式
由链式法则:∂z/∂u = ∂z/∂x * ∂x/∂u + ∂z/∂y * ∂y/∂u,∂z/∂v = ∂z/∂x * ∂x/∂v + ∂z/∂y * ∂y/∂v。
公式:∂z/∂u = ∂z/∂x * ∂x/∂u + ∂z/∂y * ∂y/∂u,∂z/∂v = ∂z/∂x * ∂x/∂v + ∂z/∂y * ∂y/∂v
提示:注意链式法则中每个中间变量都要考虑。
步骤 2/6
目标:计算 ∂z/∂x 和 ∂z/∂y
z = arctan(x/y),∂z/∂x = 1/(1+(x/y)^2) * 1/y = y/(x^2+y^2),∂z/∂y = 1/(1+(x/y)^2) * (-x/y^2) = -x/(x^2+y^2)。
公式:∂z/∂x = y/(x^2+y^2),∂z/∂y = -x/(x^2+y^2)
提示:arctan 的导数公式:d/dx arctan(u) = 1/(1+u^2) * du/dx。
步骤 3/6
目标:计算 ∂x/∂u, ∂x/∂v, ∂y/∂u, ∂y/∂v
x = u+v,y = u-v,所以 ∂x/∂u = 1,∂x/∂v = 1,∂y/∂u = 1,∂y/∂v = -1。
公式:∂x/∂u=1, ∂x/∂v=1, ∂y/∂u=1, ∂y/∂v=-1
提示:对 u 和 v 求偏导时,将另一个变量视为常数。
步骤 4/6
目标:代入链式法则求 ∂z/∂u 和 ∂z/∂v
∂z/∂u = (y/(x^2+y^2))*1 + (-x/(x^2+y^2))*1 = (y-x)/(x^2+y^2);∂z/∂v = (y/(x^2+y^2))*1 + (-x/(x^2+y^2))*(-1) = (y+x)/(x^2+y^2)。
公式:∂z/∂u = (y-x)/(x^2+y^2),∂z/∂v = (y+x)/(x^2+y^2)
提示:注意符号。
步骤 5/6
目标:求和 ∂z/∂u + ∂z/∂v
∂z/∂u + ∂z/∂v = (y-x + y+x)/(x^2+y^2) = 2y/(x^2+y^2)。
公式:∂z/∂u + ∂z/∂v = 2y/(x^2+y^2)
提示:分子合并同类项。
步骤 6/6
目标:代入 x=u+v, y=u-v 化简
x^2+y^2 = (u+v)^2+(u-v)^2 = 2(u^2+v^2),2y = 2(u-v),所以 ∂z/∂u+∂z/∂v = 2(u-v)/(2(u^2+v^2)) = (u-v)/(u^2+v^2)。
公式:∂z/∂u+∂z/∂v = (u-v)/(u^2+v^2)
提示:平方和公式简化。

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