适用:数一、数二、数三通用
地位:多元微分学的计算核心,直接支撑多元极值、方向导数、多元积分
核心任务:掌握多元复合函数链式法则,掌握隐函数求导公式
(1)一元中间变量情形:
设
$$ z=f(u,v),\quad u=u(t),\quad v=v(t) $$
则
$$ \frac{dz}{dt}=\frac{\partial z}{\partial u}\cdot\frac{du}{dt}+\frac{\partial z}{\partial v}\cdot\frac{dv}{dt} $$
即:
$$ \frac{dz}{dt}=f_u\frac{du}{dt}+f_v\frac{dv}{dt} $$
(2)多元中间变量情形:
设
$$ z=f(u,v),\quad u=u(x,y),\quad v=v(x,y) $$
则
$$ \frac{\partial z}{\partial x} =\frac{\partial z}{\partial u}\cdot\frac{\partial u}{\partial x} +\frac{\partial z}{\partial v}\cdot\frac{\partial v}{\partial x} $$
$$ \frac{\partial z}{\partial y} =\frac{\partial z}{\partial u}\cdot\frac{\partial u}{\partial y} +\frac{\partial z}{\partial v}\cdot\frac{\partial v}{\partial y} $$
即:
$$ z_x=f_u u_x+f_v v_x $$
$$ z_y=f_u u_y+f_v v_y $$
(3)多层复合:
设
$$ z=f(u,v),\quad u=u(s,t),\quad v=v(s,t),\quad s=s(x,y),\quad t=t(x,y) $$
则
$$ \frac{\partial z}{\partial x} =\frac{\partial z}{\partial u}\left(\frac{\partial u}{\partial s}\frac{\partial s}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial t}\frac{\partial t}{\partial x}\right) +\frac{\partial z}{\partial v}\left(\frac{\partial v}{\partial s}\frac{\partial s}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial t}\frac{\partial t}{\partial x}\right) $$
(4)混合情形:
设
$$ z=f(u,v),\quad u=u(x,y),\quad v=v(y) $$
则
$$ \frac{\partial z}{\partial x}=f_u u_x $$
$$ \frac{\partial z}{\partial y}=f_u u_y+f_v v' $$
注意:
链式法则的关键是画出变量关系图,沿路径相乘,分路径相加。
设 $z=f(u,v)$ 可微,$u=u(x,y)$、$v=v(x,y)$ 可微,则
$$ dz=f_u du+f_v dv $$
无论 $u$、$v$ 是自变量还是中间变量,全微分形式相同。
应用:
利用全微分形式不变性,可以方便地求偏导数。
(1)一元隐函数:
设方程
$$ F(x,y)=0 $$
确定 $y=y(x)$,且 $F$ 可微,$F_y\neq0$,则
$$ \frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y} $$
(2)二元隐函数:
设方程
$$ F(x,y,z)=0 $$
确定 $z=z(x,y)$,且 $F$ 可微,$F_z\neq0$,则
$$ \frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x}{F_z} $$
$$ \frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{F_y}{F_z} $$
(3)隐函数存在定理:
若 $F(x_0,y_0,z_0)=0$,$F$ 在 $(x_0,y_0,z_0)$ 的某个邻域内有连续偏导数,且
$$ F_z(x_0,y_0,z_0)\neq0 $$
则方程 $F(x,y,z)=0$ 在 $(x_0,y_0)$ 的某个邻域内唯一确定一个连续可微函数 $z=z(x,y)$,且
$$ z_x=-\frac{F_x}{F_z},\quad z_y=-\frac{F_y}{F_z} $$
设方程组
$$ \begin{cases} F(x,y,u,v)=0\\ G(x,y,u,v)=0 \end{cases} $$
确定 $u=u(x,y)$、$v=v(x,y)$。
求 $\frac{\partial u}{\partial x}$、$\frac{\partial v}{\partial x}$:
对方程组两边对 $x$ 求偏导:
$$ \begin{cases} F_x+F_u u_x+F_v v_x=0\\ G_x+G_u u_x+G_v v_x=0 \end{cases} $$
解此线性方程组,得 $u_x$、$v_x$。
雅可比行列式:
$$ J=\frac{\partial(F,G)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} F_u & F_v\ G_u & G_v \end{vmatrix} $$
若 $J\neq0$,则
$$ u_x=-\frac{1}{J}\frac{\partial(F,G)}{\partial(x,v)} $$
$$ v_x=-\frac{1}{J}\frac{\partial(F,G)}{\partial(u,x)} $$
即:
$$ u_x=-\frac{ \begin{vmatrix} F_x & F_v\\ G_x & G_v \end{vmatrix} }{ \begin{vmatrix} F_u & F_v\\ G_u & G_v \end{vmatrix} } $$
$$ v_x=-\frac{ \begin{vmatrix} F_u & F_x\\ G_u & G_x \end{vmatrix} }{ \begin{vmatrix} F_u & F_v\\ G_u & G_v \end{vmatrix} } $$
同理可求 $u_y$、$v_y$。
复合函数:
$$ z=f(x,y),\quad y=y(x) $$
则
$$ \frac{dz}{dx}=f_x+f_y\frac{dy}{dx} $$
全导数:
$$ \frac{dz}{dt}=f_u\frac{du}{dt}+f_v\frac{dv}{dt} $$
隐函数:
$$ \frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y} $$
$$ z_x=-\frac{F_x}{F_z},\quad z_y=-\frac{F_y}{F_z} $$
画图原则:
例:
$$ z=f(u,v),\quad u=u(x,y),\quad v=v(x,y) $$
变量关系图:
$$ z \begin{cases} u \begin{cases} x\\ y \end{cases}\\ v \begin{cases} x\ y \end{cases} \end{cases} $$
所以:
$$ z_x=f_u u_x+f_v v_x $$
$$ z_y=f_u u_y+f_v v_y $$
$$ J=\frac{\partial(F,G)}{\partial(u,v)}\neq0 $$
例1
设
$$ z=u^2+v^2,\quad u=\sin t,\quad v=\cos t $$
求 $\frac{dz}{dt}$。
解:
$$ \frac{dz}{dt}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{du}{dt}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{dv}{dt} $$
$$ =2u\cos t+2v(-\sin t) $$
$$ =2\sin t\cos t-2\cos t\sin t=0 $$
例2
设
$$ z=e^{uv},\quad u=t^2,\quad v=\sin t $$
求 $\frac{dz}{dt}$。
解:
$$ \frac{dz}{dt}=e^{uv}\cdot v\cdot 2t+e^{uv}\cdot u\cdot\cos t $$
$$ =e^{uv}(2tv+u\cos t) $$
$$ =e^{t^2\sin t}(2t\sin t+t^2\cos t) $$
例3
设
$$ z=u^2+v^2,\quad u=x+y,\quad v=x-y $$
求 $z_x$、$z_y$。
解:
$$ z_x=2u\cdot1+2v\cdot1=2(u+v)=2(2x)=4x $$
$$ z_y=2u\cdot1+2v\cdot(-1)=2(u-v)=2(2y)=4y $$
例4
设
$$ z=e^{xy},\quad x=u+v,\quad y=u-v $$
求 $z_u$、$z_v$。
解:
$$ z_u=e^{xy}\cdot y\cdot1+e^{xy}\cdot x\cdot1 =e^{xy}(y+x) $$
$$ z_v=e^{xy}\cdot y\cdot1+e^{xy}\cdot x\cdot(-1) =e^{xy}(y-x) $$
例5
设
$$ z=f(x^2+y^2) $$
求 $z_x$、$z_y$。
解:
令
$$ u=x^2+y^2 $$
则
$$ z=f(u) $$
$$ z_x=f'(u)\cdot2x=2xf'(x^2+y^2) $$
$$ z_y=f'(u)\cdot2y=2yf'(x^2+y^2) $$
例6
设
$$ z=f(xy,\frac yx) $$
求 $z_x$、$z_y$。
解:
令
$$ u=xy,\quad v=\frac yx $$
则
$$ z=f(u,v) $$
$$ u_x=y,\quad u_y=x $$
$$ v_x=-\frac{y}{x^2},\quad v_y=\frac1x $$
所以:
$$ z_x=f_u\cdot y+f_v\cdot\left(-\frac{y}{x^2}\right) =yf_u-\frac{y}{x^2}f_v $$
$$ z_y=f_u\cdot x+f_v\cdot\frac1x =xf_u+\frac1xf_v $$
例7
设
$$ z=f(x+y,xy) $$
求 $z_x$、$z_y$。
解:
令
$$ u=x+y,\quad v=xy $$
则
$$ z=f(u,v) $$
$$ u_x=1,\quad u_y=1 $$
$$ v_x=y,\quad v_y=x $$
所以:
$$ z_x=f_u+f_v\cdot y $$
$$ z_y=f_u+f_v\cdot x $$
例8
设
$$ z=f(x,y),\quad y=\varphi(x) $$
求 $\frac{dz}{dx}$。
解:
$$ \frac{dz}{dx}=f_x+f_y\varphi'(x) $$
例9
设
$$ z=f(x+y) $$
求 $z_{xx}$、$z_{yy}$、$z_{xy}$。
解:
令
$$ u=x+y $$
则
$$ z=f(u) $$
$$ z_x=f'(u),\quad z_y=f'(u) $$
$$ z_{xx}=f''(u),\quad z_{yy}=f''(u) $$
$$ z_{xy}=f''(u) $$
例10
设
$$ z=f(x^2+y^2) $$
求 $z_{xx}$、$z_{yy}$。
解:
$$ z_x=2xf'(u),\quad u=x^2+y^2 $$
$$ z_{xx}=2f'(u)+2x\cdot f''(u)\cdot2x =2f'(u)+4x^2f''(u) $$
$$ z_{yy}=2f'(u)+4y^2f''(u) $$
例11
设
$$ x^2+y^2=1 $$
求 $\frac{dy}{dx}$。
解:
令
$$ F(x,y)=x^2+y^2-1 $$
则
$$ F_x=2x,\quad F_y=2y $$
所以:
$$ \frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y}=-\frac{2x}{2y}=-\frac xy $$
例12
设
$$ e^y+xy=e $$
求 $\frac{dy}{dx}$。
解:
令
$$ F(x,y)=e^y+xy-e $$
则
$$ F_x=y,\quad F_y=e^y+x $$
所以:
$$ \frac{dy}{dx}=-\frac{y}{e^y+x} $$
例13
设
$$ \ln y=x+y $$
求 $\frac{dy}{dx}$。
解:
令
$$ F(x,y)=\ln y-x-y $$
则
$$ F_x=-1,\quad F_y=\frac1y-1 $$
所以:
$$ \frac{dy}{dx}=-\frac{-1}{\frac1y-1} =\frac{1}{\frac1y-1} =\frac{y}{1-y} $$
例14
设
$$ x^2+y^2+z^2=1 $$
求 $z_x$、$z_y$。
解:
令
$$ F(x,y,z)=x^2+y^2+z^2-1 $$
则
$$ F_x=2x,\quad F_y=2y,\quad F_z=2z $$
所以:
$$ z_x=-\frac{F_x}{F_z}=-\frac{2x}{2z}=-\frac xz $$
$$ z_y=-\frac{F_y}{F_z}=-\frac{2y}{2z}=-\frac yz $$
例15
设
$$ e^z-xyz=0 $$
求 $z_x$、$z_y$。
解:
令
$$ F(x,y,z)=e^z-xyz $$
则
$$ F_x=-yz,\quad F_y=-xz,\quad F_z=e^z-xy $$
所以:
$$ z_x=-\frac{F_x}{F_z}=\frac{yz}{e^z-xy} $$
$$ z_y=-\frac{F_y}{F_z}=\frac{xz}{e^z-xy} $$
例16
设
$$ z^3-3xyz=1 $$
求 $z_x$、$z_y$。
解:
令
$$ F(x,y,z)=z^3-3xyz-1 $$
则
$$ F_x=-3yz,\quad F_y=-3xz,\quad F_z=3z^2-3xy $$
所以:
$$ z_x=-\frac{-3yz}{3z^2-3xy} =\frac{yz}{z^2-xy} $$
$$ z_y=-\frac{-3xz}{3z^2-3xy} =\frac{xz}{z^2-xy} $$
例17
设
$$ \begin{cases} x+y+u+v=0\ x^2+y^2+u^2+v^2=1 \end{cases} $$
求 $u_x$、$v_x$。
解:
令
$$ F=x+y+u+v $$
$$ G=x^2+y^2+u^2+v^2-1 $$
则:
$$ F_x=1,\quad F_u=1,\quad F_v=1 $$
$$ G_x=2x,\quad G_u=2u,\quad G_v=2v $$
对方程组两边对 $x$ 求偏导:
$$ \begin{cases} 1+u_x+v_x=0\ 2x+2uu_x+2vv_x=0 \end{cases} $$
即:
$$ \begin{cases} u_x+v_x=-1\\ uu_x+vv_x=-x \end{cases} $$
解此方程组:
$$ u_x=\frac{ \begin{vmatrix} -1 & 1\\ -x & v \end{vmatrix} }{ \begin{vmatrix} 1 & 1\ u & v \end{vmatrix} } =\frac{-v+x}{v-u} =\frac{x-v}{v-u} $$
$$ v_x=\frac{ \begin{vmatrix} 1 & -1\\ u & -x \end{vmatrix} }{ \begin{vmatrix} 1 & 1\\ u & v \end{vmatrix} } =\frac{-x+u}{v-u} =\frac{u-x}{v-u} $$
例18
设
$$ \begin{cases} u=f(x,y)\\ v=g(x,y) \end{cases} $$
求 $x_u$、$y_u$。
解:
由反函数组定理:
$$ \frac{\partial x}{\partial u} =\frac{1}{J}\frac{\partial v}{\partial y} $$
$$ \frac{\partial y}{\partial u} =-\frac{1}{J}\frac{\partial v}{\partial x} $$
其中
$$ J=\frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)} = \begin{vmatrix} u_x & u_y\ v_x & v_y \end{vmatrix} $$
例19
设
$$ z=f(xy,\frac yx) $$
求 $dz$。
解:
令
$$ u=xy,\quad v=\frac yx $$
则
$$ du=ydx+xdy $$
$$ dv=\frac{xdy-ydx}{x^2} =-\frac{y}{x^2}dx+\frac1xdy $$
所以:
$$ dz=f_udu+f_vdv $$
$$ =f_u(ydx+xdy)+f_v\left(-\frac{y}{x^2}dx+\frac1xdy\right) $$
$$ =\left(yf_u-\frac{y}{x^2}f_v\right)dx+\left(xf_u+\frac1xf_v\right)dy $$
例20
设
$$ z=z(x,y) $$
由方程
$$ F(x+y,z)=0 $$
确定,求 $z_x$、$z_y$。
解:
令
$$ u=x+y $$
则
$$ F(u,z)=0 $$
对 $x$ 求偏导:
$$ F_u\cdot1+F_z\cdot z_x=0 $$
所以:
$$ z_x=-\frac{F_u}{F_z} $$
对 $y$ 求偏导:
$$ F_u\cdot1+F_z\cdot z_y=0 $$
所以:
$$ z_y=-\frac{F_u}{F_z} $$
例21
设
$$ u=f(x,y,z),\quad z=z(x,y) $$
由方程
$$ F(x,y,z)=0 $$
确定,求 $u_x$、$u_y$。
解:
由链式法则:
$$ u_x=f_x+f_z z_x $$
$$ u_y=f_y+f_z z_y $$
而:
$$ z_x=-\frac{F_x}{F_z},\quad z_y=-\frac{F_y}{F_z} $$
所以:
$$ u_x=f_x-f_z\frac{F_x}{F_z} $$
$$ u_y=f_y-f_z\frac{F_y}{F_z} $$
例22
设
$$ u=\frac{x+y}{2},\quad v=\frac{x-y}{2} $$
求
$$ \frac{\partial u}{\partial x},\quad\frac{\partial u}{\partial y},\quad\frac{\partial v}{\partial x},\quad\frac{\partial v}{\partial y} $$
解:
$$ u_x=\frac12,\quad u_y=\frac12 $$
$$ v_x=\frac12,\quad v_y=-\frac12 $$
例23
设
$$ z=f(x,y) $$
令
$$ x=r\cos\theta,\quad y=r\sin\theta $$
求 $z_r$、$z_\theta$。
解:
$$ z_r=f_x\cos\theta+f_y\sin\theta $$
$$ z_\theta=f_x(-r\sin\theta)+f_y(r\cos\theta) =-rf_x\sin\theta+rf_y\cos\theta $$
错误:
$$ z=f(u,v),\quad u=u(x,y),\quad v=v(x,y) $$
$$ z_x=f_u u_x $$
正确:
$$ z_x=f_u u_x+f_v v_x $$
链式法则:
$$ \frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y} $$
注意有负号。
求 $F_x$ 时,$y$ 看作常数;
求 $F_y$ 时,$x$ 看作常数。
在
$$ F(x,y,z)=0 $$
中,$z=z(x,y)$。
对 $x$ 求偏导时,$z$ 是 $x$ 的函数,需要链式法则。
隐函数组求导时,需要对方程组两边同时求偏导,得到线性方程组,再解出所求偏导。
$$ J=\frac{\partial(F,G)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} F_u & F_v\ G_u & G_v \end{vmatrix} $$
注意顺序。
全微分形式不变性要求 $f$ 可微,$u$、$v$ 可微。
求 $z_{xx}$ 时,不要遗漏 $f_u$ 对 $x$ 的导数。
$$ f_u $$
表示 $f$ 对第一个变量的偏导数,不是对 $u$ 的偏导数。
使用隐函数求导公式前,必须验证:
$$ z_r=f_x\cos\theta+f_y\sin\theta $$
$$ z_\theta=-rf_x\sin\theta+rf_y\cos\theta $$
注意 $z_\theta$ 中有 $r$。
常见形式:
$$ z=f(xy,\frac yx) $$
$$ z=f(x+y,xy) $$
$$ z=f(x^2+y^2) $$
处理方法:
常见形式:
$$ F(x,y,z)=0 $$
求 $z_x$、$z_y$。
处理方法:
$$ z_x=-\frac{F_x}{F_z},\quad z_y=-\frac{F_y}{F_z} $$
常见形式:
$$ \begin{cases} F(x,y,u,v)=0\\ G(x,y,u,v)=0 \end{cases} $$
求 $u_x$、$v_x$。
处理方法:
常见形式:
$$ u=f(x,y,z),\quad z=z(x,y) $$
由 $F(x,y,z)=0$ 确定。
处理方法:
$$ u_x=f_x+f_z z_x $$
$$ z_x=-\frac{F_x}{F_z} $$
常见形式:
处理方法:
常见形式:
$$ dz=f_udu+f_vdv $$
处理方法:
常见形式:
$$ z=f(x+y) $$
$$ z=f(x^2+y^2) $$
求 $z_{xx}$、$z_{yy}$、$z_{xy}$。
处理方法:
链式法则(一元中间变量):
$$ \frac{dz}{dt}=f_u\frac{du}{dt}+f_v\frac{dv}{dt} $$
链式法则(多元中间变量):
$$ z_x=f_u u_x+f_v v_x $$
$$ z_y=f_u u_y+f_v v_y $$
全微分形式不变性:
$$ dz=f_udu+f_vdv $$
一元隐函数:
$$ \frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y} $$
二元隐函数:
$$ z_x=-\frac{F_x}{F_z} $$
$$ z_y=-\frac{F_y}{F_z} $$
隐函数组:
$$ \begin{cases} F_x+F_u u_x+F_v v_x=0\ G_x+G_u u_x+G_v v_x=0 \end{cases} $$
雅可比行列式:
$$ J=\frac{\partial(F,G)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} F_u & F_v\ G_u & G_v \end{vmatrix} $$
极坐标变换:
$$ x=r\cos\theta,\quad y=r\sin\theta $$
$$ z_r=f_x\cos\theta+f_y\sin\theta $$
$$ z_\theta=-rf_x\sin\theta+rf_y\cos\theta $$
常用公式:
$$ z=f(x,y),\quad y=y(x) \Rightarrow \frac{dz}{dx}=f_x+f_y\frac{dy}{dx} $$
口诀:
复合函数画关系图,沿路径相乘分路径加;
隐函数求导带负号,$F_x$ 除以 $F_z$;
隐函数组设方程,解线性方程组;
全微分形式不变性,高阶偏导别漏项。
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