同济高数 第9章 第9-4-8题

教材习题

📝 题目

8.求下列函数的一阶偏导数(其中 $f$ 具有一阶连续偏导数): (1)$u=f\left(x^{2}-y^{2}, \mathrm{e}^{x y}\right)$ ; (2)$\displaystyle u=f\left(\frac{x}{y}, \frac{y}{z}\right)$ ; (3)$u=f(x, x y, x y z)$ .

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答] 以下为各小题的详细求解步骤。

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**(1)** $ u = f(x^2 - y^2, e^{xy}) $

设中间变量: $ v = x^2 - y^2 $,$ w = e^{xy} $,则 $ u = f(v, w) $。

由链式法则:

$$ \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial f}{\partial v} \cdot \frac{\partial v}{\partial x} + \frac{\partial f}{\partial w} \cdot \frac{\partial w}{\partial x} = f_1 \cdot (2x) + f_2 \cdot (y e^{xy}) $$

$$ \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial f}{\partial v} \cdot \frac{\partial v}{\partial y} + \frac{\partial f}{\partial w} \cdot \frac{\partial w}{\partial y} = f_1 \cdot (-2y) + f_2 \cdot (x e^{xy}) $$

其中 $ f_1 = \frac{\partial f}{\partial v} $,$ f_2 = \frac{\partial f}{\partial w} $。

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**(2)** $ u = f\left( \frac{x}{y}, \frac{y}{z} \right) $

设 $ p = \frac{x}{y} $,$ q = \frac{y}{z} $,则 $ u = f(p, q) $。

$$ \frac{\partial u}{\partial x} = f_1 \cdot \frac{\partial p}{\partial x} + f_2 \cdot \frac{\partial q}{\partial x} = f_1 \cdot \frac{1}{y} + f_2 \cdot 0 = \frac{1}{y} f_1 $$

$$ \frac{\partial u}{\partial y} = f_1 \cdot \frac{\partial p}{\partial y} + f_2 \cdot \frac{\partial q}{\partial y} = f_1 \cdot \left(-\frac{x}{y^2}\right) + f_2 \cdot \frac{1}{z} = -\frac{x}{y^2} f_1 + \frac{1}{z} f_2 $$

$$ \frac{\partial u}{\partial z} = f_1 \cdot \frac{\partial p}{\partial z} + f_2 \cdot \frac{\partial q}{\partial z} = f_1 \cdot 0 + f_2 \cdot \left(-\frac{y}{z^2}\right) = -\frac{y}{z^2} f_2 $$

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**(3)** $ u = f(x, xy, xyz) $

设 $ r = x $,$ s = xy $,$ t = xyz $,则 $ u = f(r, s, t) $。

$$ \frac{\partial u}{\partial x} = f_1 \cdot \frac{\partial r}{\partial x} + f_2 \cdot \frac{\partial s}{\partial x} + f_3 \cdot \frac{\partial t}{\partial x} = f_1 \cdot 1 + f_2 \cdot y + f_3 \cdot yz $$

$$ \frac{\partial u}{\partial y} = f_1 \cdot 0 + f_2 \cdot \frac{\partial s}{\partial y} + f_3 \cdot \frac{\partial t}{\partial y} = f_2 \cdot x + f_3 \cdot xz $$

$$ \frac{\partial u}{\partial z} = f_1 \cdot 0 + f_2 \cdot 0 + f_3 \cdot \frac{\partial t}{\partial z} = f_3 \cdot xy $$

其中 $ f_1, f_2, f_3 $ 分别表示对第1、2、3个中间变量的偏导数。

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**难度评级**:★★☆☆☆ (属于基础复合函数求偏导,只需掌握链式法则即可,但需注意变量顺序与符号书写。)

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:求 u=f(x^2-y^2, e^{xy}) 的一阶偏导数
设中间变量 v=x^2-y^2, w=e^{xy},则 u=f(v,w)。由链式法则:∂u/∂x = f_v·∂v/∂x + f_w·∂w/∂x = f_1·2x + f_2·y e^{xy};∂u/∂y = f_v·∂v/∂y + f_w·∂w/∂y = f_1·(-2y) + f_2·x e^{xy}。其中 f_1=∂f/∂v, f_2=∂f/∂w。
公式:∂u/∂x = 2x f_1 + y e^{xy} f_2; ∂u/∂y = -2y f_1 + x e^{xy} f_2
提示:注意中间变量对自变量的偏导计算
步骤 2/3
目标:求 u=f(x/y, y/z) 的一阶偏导数
设 p=x/y, q=y/z,则 u=f(p,q)。∂u/∂x = f_1·(1/y) + f_2·0 = (1/y)f_1;∂u/∂y = f_1·(-x/y^2) + f_2·(1/z) = -x/y^2 f_1 + (1/z)f_2;∂u/∂z = f_1·0 + f_2·(-y/z^2) = -y/z^2 f_2。
公式:∂u/∂x = (1/y)f_1; ∂u/∂y = -x/y^2 f_1 + (1/z)f_2; ∂u/∂z = -y/z^2 f_2
提示:注意对 y 求偏导时两项均需考虑
步骤 3/3
目标:求 u=f(x, xy, xyz) 的一阶偏导数
设 r=x, s=xy, t=xyz,则 u=f(r,s,t)。∂u/∂x = f_1·1 + f_2·y + f_3·yz = f_1 + y f_2 + yz f_3;∂u/∂y = f_1·0 + f_2·x + f_3·xz = x f_2 + xz f_3;∂u/∂z = f_1·0 + f_2·0 + f_3·xy = xy f_3。
公式:∂u/∂x = f_1 + y f_2 + yz f_3; ∂u/∂y = x f_2 + xz f_3; ∂u/∂z = xy f_3
提示:注意三个中间变量对 x 均有依赖

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