同济高数 第9章 第9-7-4题

教材习题

📝 题目

4.求函数 $u=x y^{2}+z^{3}-x y z$ 在点 $(1,1,2)$ 处沿方向角为 $\displaystyle \alpha=\frac{\pi}{3}, \beta=\frac{\pi}{4}, \gamma=\frac{\pi}{3}$ 的方向的方向导数.

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答]

**步骤1:计算梯度分量(偏导数)**

函数为 $$ u = x y^{2} + z^{3} - x y z $$

分别求三个偏导数:

$$ \frac{\partial u}{\partial x} = y^{2} - y z $$ $$ \frac{\partial u}{\partial y} = 2xy - x z $$ $$ \frac{\partial u}{\partial z} = 3z^{2} - x y $$

**步骤2:代入点 $(1,1,2)$**

$$ \left.\frac{\partial u}{\partial x}\right|_{(1,1,2)} = 1^{2} - 1\cdot 2 = 1 - 2 = -1 $$ $$ \left.\frac{\partial u}{\partial y}\right|_{(1,1,2)} = 2\cdot 1\cdot 1 - 1\cdot 2 = 2 - 2 = 0 $$ $$ \left.\frac{\partial u}{\partial z}\right|_{(1,1,2)} = 3\cdot 2^{2} - 1\cdot 1 = 12 - 1 = 11 $$

因此梯度向量为 $$ \nabla u(1,1,2) = (-1,\;0,\;11) $$

**步骤3:方向余弦**

已知方向角 $\alpha = \frac{\pi}{3},\ \beta = \frac{\pi}{4},\ \gamma = \frac{\pi}{3}$,则方向余弦为:

$$ \cos\alpha = \cos\frac{\pi}{3} = \frac{1}{2},\quad \cos\beta = \cos\frac{\pi}{4} = \frac{\sqrt{2}}{2},\quad \cos\gamma = \cos\frac{\pi}{3} = \frac{1}{2} $$

**步骤4:方向导数公式**

方向导数 $$ \frac{\partial u}{\partial \mathbf{l}} = \frac{\partial u}{\partial x}\cos\alpha + \frac{\partial u}{\partial y}\cos\beta + \frac{\partial u}{\partial z}\cos\gamma $$

代入数值:

$$ \frac{\partial u}{\partial \mathbf{l}} = (-1)\cdot\frac{1}{2} + 0\cdot\frac{\sqrt{2}}{2} + 11\cdot\frac{1}{2} = -\frac{1}{2} + \frac{11}{2} = \frac{10}{2} = 5 $$

**最终答案:**

$$ \boxed{5} $$

难度评级:★★☆☆☆ (计算偏导、代入方向余弦,步骤直接,无复杂技巧)

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:计算梯度分量(偏导数)
函数为 u = x y^2 + z^3 - x y z,分别求三个偏导数:∂u/∂x = y^2 - y z,∂u/∂y = 2xy - x z,∂u/∂z = 3z^2 - x y。
公式:∂u/∂x = y^2 - y z, ∂u/∂y = 2xy - x z, ∂u/∂z = 3z^2 - x y
提示:求偏导时,将其他变量视为常数。
步骤 2/4
目标:代入点 (1,1,2)
代入 x=1, y=1, z=2:∂u/∂x = 1^2 - 1*2 = -1,∂u/∂y = 2*1*1 - 1*2 = 0,∂u/∂z = 3*2^2 - 1*1 = 11。梯度向量为 (-1, 0, 11)。
公式:∇u(1,1,2) = (-1, 0, 11)
提示:注意计算准确。
步骤 3/4
目标:方向余弦
方向角 α=π/3, β=π/4, γ=π/3,方向余弦为 cosα=1/2, cosβ=√2/2, cosγ=1/2。
公式:cosα=1/2, cosβ=√2/2, cosγ=1/2
提示:方向余弦满足 cos^2α+cos^2β+cos^2γ=1,可验证。
步骤 4/4
目标:方向导数公式
方向导数 ∂u/∂l = ∂u/∂x cosα + ∂u/∂y cosβ + ∂u/∂z cosγ。代入数值:(-1)*(1/2) + 0*(√2/2) + 11*(1/2) = -1/2 + 11/2 = 10/2 = 5。
公式:∂u/∂l = ∇u · l = (-1,0,11)·(1/2, √2/2, 1/2) = 5
提示:方向导数是梯度与方向余弦的点积。

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