方企勤 第五章 多元函数微分学 第5题

教材习题

📝 题目

例 5 取 $y$ 为因变量,解方程

$$ {\left( \frac{\partial z}{\partial y}\right) }^{2}\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} - 2\frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial z}{\partial y}\frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y} + {\left( \frac{\partial z}{\partial x}\right) }^{2}\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}} = 0. $$

💡 答案解析

解 由上题启发, $z = z\left( {x,y}\right)$ 中把 $x,z$ 看成自变量,对 $x$ 求偏导数, 得

$$ 0 = \frac{\partial z}{\partial x} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial x},\;\text{ 解出 }\;\frac{\partial y}{\partial x} = - \frac{\partial z}{\partial x}/\frac{\partial z}{\partial y}. $$

再对 $x$ 求偏导,得

$$ 0 = \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} + 2\frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y}\frac{\partial y}{\partial x} + \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}}{\left( \frac{\partial y}{\partial x}\right) }^{2} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{{\partial }^{2}y}{\partial {x}^{2}}. $$

将 $\frac{\partial y}{\partial x}$ 代入上式,有

$$ 0 = \frac{{\left( \frac{\partial z}{\partial y}\right) }^{2}\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} - 2\frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial z}{\partial y}\frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y} + {\left( \frac{\partial z}{\partial x}\right) }^{2}\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}}}{{\left( \frac{\partial z}{\partial y}\right) }^{2}} + \frac{\partial z}{\partial y}\frac{{\partial }^{2}y}{\partial {x}^{2}}. $$

利用条件得出 $\frac{\partial z}{\partial y}\frac{{\partial }^{2}y}{\partial {x}^{2}} = 0,y$ 可取为因变量隐含条件 $\frac{\partial z}{\partial y} \neq 0$ ,所以 $\frac{{\partial }^{2}y}{\partial {x}^{2}}$ $= 0$ ,由此解出 $y = {x\varphi }\left( z\right) + \psi \left( z\right)$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:将x和z视为自变量,对x求偏导
在方程中,将x和z视为自变量,y视为因变量。对恒等式z = z(x, y(x,z))两边关于x求偏导,得到0 = ∂z/∂x + (∂z/∂y)(∂y/∂x)。
公式:0 = ∂z/∂x + (∂z/∂y)(∂y/∂x)
提示:注意z是x和y的函数,而y又是x和z的函数,因此求导时需使用链式法则。
步骤 2/6
目标:解出∂y/∂x
由0 = ∂z/∂x + (∂z/∂y)(∂y/∂x),移项得(∂z/∂y)(∂y/∂x) = -∂z/∂x,假设∂z/∂y ≠ 0,则∂y/∂x = - (∂z/∂x)/(∂z/∂y)。
公式:∂y/∂x = - (∂z/∂x)/(∂z/∂y)
提示:这里隐含了∂z/∂y ≠ 0的条件。
步骤 3/6
目标:再次对x求偏导
对0 = ∂z/∂x + (∂z/∂y)(∂y/∂x)两边再对x求偏导,注意∂z/∂x和∂z/∂y都是x和y的函数,而y又是x和z的函数,因此得到0 = ∂²z/∂x² + 2(∂²z/∂x∂y)(∂y/∂x) + (∂²z/∂y²)(∂y/∂x)² + (∂z/∂y)(∂²y/∂x²)。
公式:0 = ∂²z/∂x² + 2(∂²z/∂x∂y)(∂y/∂x) + (∂²z/∂y²)(∂y/∂x)² + (∂z/∂y)(∂²y/∂x²)
提示:注意交叉项出现系数2,因为(∂z/∂y)(∂y/∂x)对x求导时,∂z/∂y和∂y/∂x都依赖于x。
步骤 4/6
目标:代入∂y/∂x并化简
将∂y/∂x = - (∂z/∂x)/(∂z/∂y)代入上式,并乘以(∂z/∂y)²以消去分母,得到0 = (∂z/∂y)²(∂²z/∂x²) - 2(∂z/∂x)(∂z/∂y)(∂²z/∂x∂y) + (∂z/∂x)²(∂²z/∂y²) + (∂z/∂y)³(∂²y/∂x²)。
公式:0 = (∂z/∂y)²(∂²z/∂x²) - 2(∂z/∂x)(∂z/∂y)(∂²z/∂x∂y) + (∂z/∂x)²(∂²z/∂y²) + (∂z/∂y)³(∂²y/∂x²)
提示:注意原方程左边恰好等于前三项,因此原方程成立意味着(∂z/∂y)³(∂²y/∂x²)=0。
步骤 5/6
目标:利用原方程条件得出∂²y/∂x²=0
原方程左边等于0,因此代入后得到(∂z/∂y)³(∂²y/∂x²)=0。由于∂z/∂y ≠ 0(隐含条件),所以∂²y/∂x²=0。
公式:∂²y/∂x² = 0
提示:这里∂z/∂y ≠ 0是必要的,否则无法除以∂z/∂y。
步骤 6/6
目标:解微分方程得到y的表达式
由∂²y/∂x²=0,对x积分两次得y = A(z)x + B(z),其中A(z)和B(z)是z的任意函数。通常记作y = xφ(z) + ψ(z)。
公式:y = xφ(z) + ψ(z)
提示:注意这里自变量是x和z,积分时z视为常数。

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