方企勤 第五章 多元函数微分学 第6题

教材习题

📝 题目

例 6 设函数 $u = u\left( {x,y}\right)$ 由方程

$$ u = f\left( {x,y,z,t}\right) ,\;g\left( {y,z,t}\right) = 0,\;h\left( {z,t}\right) = 0 $$

定义,求 $\frac{\partial u}{\partial x},\frac{\partial u}{\partial y}$ .

💡 答案解析

解 函数 $u = u\left( {x,y}\right)$ 可按如下步骤得出: 先由后两个方程把 $t$ , $z$ 解为 $y$ 的函数,再代入前式而得 $u = u\left( {x,y}\right)$ . 这样求导过程如下:

$$ \frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial f}{\partial x},\;\frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial f}{\partial y} + \frac{\partial f}{\partial z}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{\;d}y} + \frac{\partial f}{\partial t}\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{\;d}y}. \tag{3.5} $$

再由后两式求 $\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{\;d}y},\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{\;d}y}$ . 因

$$ \left\{ \begin{array}{l} \frac{\partial g}{\partial y} + \frac{\partial g}{\partial z}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{\;d}y} + \frac{\partial g}{\partial t}\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{\;d}y} = 0, \\ \frac{\partial h}{\partial z}\frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{\;d}y} + \frac{\partial h}{\partial t}\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{\;d}y} = 0, \end{array}\right. $$

解出

$$ \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{\;d}y} = - \frac{\frac{\partial g}{\partial y}\frac{\partial h}{\partial t}}{\frac{\partial \left( {g,h}\right) }{\partial \left( {z,t}\right) }},\;\frac{\mathrm{d}t}{\mathrm{\;d}y} = \frac{\frac{\partial g}{\partial y}\frac{\partial h}{\partial z}}{\frac{\partial \left( {g,h}\right) }{\partial \left( {z,t}\right) }}. $$

把结果代入 (3.5) 式, 即得

$$ \frac{\partial u}{\partial y} = \frac{\partial f}{\partial y} + \frac{-\frac{\partial f}{\partial z}\frac{\partial g}{\partial y}\frac{\partial h}{\partial t} + \frac{\partial f}{\partial t}\frac{\partial g}{\partial y}\frac{\partial h}{\partial z}}{\frac{\partial \left( {g,h}\right) }{\partial \left( {z,t}\right) }} = \frac{\frac{\partial \left( {f,g,h}\right) }{\partial \left( {y,z,t}\right) }}{\frac{\partial \left( {g,h}\right) }{\partial \left( {z,t}\right) }}. $$

评注 (1) 若函数 $u = f\left( {x,y,z,t}\right)$ 记作 $u = u\left( {x,y,z,t}\right)$ ,则 (3.5)式中 $\frac{\partial f}{\partial y}$ 相应地记为 $\frac{\partial u}{\partial y}$ . 这时等式两边都有 $\frac{\partial u}{\partial y}$ ,左边的 $\frac{\partial u}{\partial y}$ 表示把 $z,t$ 看成 $y$ 的函数时求出的偏导数,右边的 $\frac{\partial u}{\partial y}$ 表示把 $z,t$ 看成自变量时求出的偏导数. 当然我们不希望引起记号的混淆,故将函数与因变量采用不同记号来表示.

(2)求导前先要分析函数关系,明确谁是因变量,谁是中间变量, 谁是自变量. 这题也可看成由方程组

$$ \left\{ \begin{array}{l} f\left( {x,y,z,t}\right) - u = 0, \\ g\left( {y,z,t}\right) = 0, \\ h\left( {z,t}\right) = 0 \end{array}\right. $$

解出 $u,z,t$ 是 $x,y$ 的函数. 现在 $z,t$ 不是看成中间变量,而是看成因变量. 由隐函数求导得

$$ \left\{ \begin{array}{l} \frac{\partial f}{\partial y} + \frac{\partial f}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial y} + \frac{\partial f}{\partial t}\frac{\partial t}{\partial y} - 1 \cdot \frac{\partial u}{\partial y} = 0, \\ \frac{\partial g}{\partial y} + \frac{\partial g}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial y} + \frac{\partial g}{\partial t} \cdot \frac{\partial t}{\partial y} + 0 \cdot \frac{\partial u}{\partial y} = 0, \\ \frac{\partial h}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial y} + \frac{\partial h}{\partial t}\frac{\partial t}{\partial y} + 0 \cdot \frac{\partial u}{\partial y} = 0. \end{array}\right. $$

把 $\frac{\partial z}{\partial y},\frac{\partial t}{\partial y},\frac{\partial u}{\partial y}$ 当作未知数,即可求出 $\frac{\partial u}{\partial y}$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:分析函数关系,确定变量类型
由方程 u = f(x,y,z,t), g(y,z,t)=0, h(z,t)=0 可知,u 是 x 和 y 的函数,而 z 和 t 由后两个方程隐式定义为 y 的函数。因此,求偏导时,将 z 和 t 视为 y 的函数。
提示:注意区分自变量、中间变量和因变量。
步骤 2/4
目标:对 u 求偏导
对 u = f(x,y,z,t) 关于 x 和 y 求偏导。由于 x 只出现在 f 中,且 z,t 与 x 无关,故 ∂u/∂x = ∂f/∂x。对于 y,z 和 t 是 y 的函数,因此 ∂u/∂y = ∂f/∂y + (∂f/∂z)(dz/dy) + (∂f/∂t)(dt/dy)。
公式:∂u/∂x = ∂f/∂x, ∂u/∂y = ∂f/∂y + (∂f/∂z)(dz/dy) + (∂f/∂t)(dt/dy)
提示:注意链式法则的应用。
步骤 3/4
目标:求 dz/dy 和 dt/dy
由 g(y,z,t)=0 和 h(z,t)=0 对 y 求导,得到方程组:∂g/∂y + (∂g/∂z)(dz/dy) + (∂g/∂t)(dt/dy)=0 和 (∂h/∂z)(dz/dy) + (∂h/∂t)(dt/dy)=0。解此线性方程组,得到 dz/dy 和 dt/dy 的表达式。
公式:dz/dy = - (∂g/∂y)(∂h/∂t) / (∂(g,h)/∂(z,t)), dt/dy = (∂g/∂y)(∂h/∂z) / (∂(g,h)/∂(z,t))
提示:分母为雅可比行列式 ∂(g,h)/∂(z,t),需非零。
步骤 4/4
目标:代入得到 ∂u/∂y 的表达式
将 dz/dy 和 dt/dy 代入 ∂u/∂y 的表达式,化简得到 ∂u/∂y = ∂f/∂y + [ - (∂f/∂z)(∂g/∂y)(∂h/∂t) + (∂f/∂t)(∂g/∂y)(∂h/∂z) ] / (∂(g,h)/∂(z,t)) = ∂(f,g,h)/∂(y,z,t) / ∂(g,h)/∂(z,t)。
公式:∂u/∂y = ∂(f,g,h)/∂(y,z,t) / ∂(g,h)/∂(z,t)
提示:注意分子是三个函数的雅可比行列式。

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