52 多元复合函数求导、隐函数求导
多元复合函数求导
链式法则(Chain Rule)
设 z=f(u,v),其中 u=u(x,y),v=v(x,y),则复合函数 z=f(u(x,y),v(x,y)) 的偏导数为:
∂x∂z=∂u∂f⋅∂x∂u+∂v∂f⋅∂x∂v
∂y∂z=∂u∂f⋅∂y∂u+∂v∂f⋅∂y∂v
一般情况的链式法则
设 z=f(u1,u2,…,um),其中 ui=ui(x1,x2,…,xn)(i=1,2,…,m),则:
∂xj∂z=i=1∑m∂ui∂f⋅∂xj∂ui,j=1,2,…,n
特殊情况
情况1:一元函数的复合
设 z=f(u,v),其中 u=u(t),v=v(t),则:
dtdz=∂u∂f⋅dtdu+∂v∂f⋅dtdv
情况2:混合复合
设 z=f(u,v),其中 u=u(x,y),v=v(x),则:
∂x∂z=∂u∂f⋅∂x∂u+∂v∂f⋅dxdv
∂y∂z=∂u∂f⋅∂y∂u
全微分形式的链式法则
设 z=f(u,v),其中 u=u(x,y),v=v(x,y),则:
dz=∂u∂fdu+∂v∂fdv
其中:
du=∂x∂udx+∂y∂udy
dv=∂x∂vdx+∂y∂vdy
因此:
dz=(∂u∂f∂x∂u+∂v∂f∂x∂v)dx+(∂u∂f∂y∂u+∂v∂f∂y∂v)dy
隐函数求导
一个方程确定的隐函数
一元隐函数
设方程 F(x,y)=0 确定隐函数 y=y(x),则:
dxdy=−FyFx=−∂y∂F∂x∂F
条件:Fy=0
二元隐函数
设方程 F(x,y,z)=0 确定隐函数 z=z(x,y),则:
∂x∂z=−FzFx=−∂z∂F∂x∂F
∂y∂z=−FzFy=−∂z∂F∂y∂F
条件:Fz=0
方程组确定的隐函数
两个方程确定两个隐函数
设方程组:
{F(x,y,u,v)=0G(x,y,u,v)=0
确定隐函数 u=u(x,y),v=v(x,y)。
设雅可比行列式:
J=∂(u,v)∂(F,G)=FuGuFvGv=FuGv−FvGu
当 J=0 时,有:
∂x∂u=−J1FxGxFvGv=−JFxGv−FvGx
∂y∂u=−J1FyGyFvGv=−JFyGv−FvGy
∂x∂v=−J1FuGuFxGx=−JFuGx−FxGu
∂y∂v=−J1FuGuFyGy=−JFuGy−FyGu
参数方程确定的函数的导数
参数方程确定的一元函数
设参数方程:
{x=x(t)y=y(t)
确定函数 y=y(x),则:
dxdy=dtdxdtdy=x′(t)y′(t)
条件:x′(t)=0
二阶导数:
dx2d2y=dxd(dxdy)=dtd(dxdy)⋅dxdt=x′(t)dtd(x′(t)y′(t))
=[x′(t)]3y′′(t)x′(t)−y′(t)x′′(t)
参数方程确定的二元函数
设参数方程:
⎩⎨⎧x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)
确定函数 z=z(x,y),则:
∂x∂z=∂(u,v)∂(x,y)∂(u,v)∂(z,y)=xuyuxvyvzuyuzvyv
∂y∂z=∂(u,v)∂(x,y)∂(u,v)∂(x,z)=xuyuxvyvxuzuxvzv
条件:∂(u,v)∂(x,y)=0
典型例题
例1:复合函数求导
题目:设 z=eu2+v2,其中 u=xcosy,v=xsiny,求 ∂x∂z 和 ∂y∂z。
解:
∂u∂z=2ueu2+v2,∂v∂z=2veu2+v2
∂x∂u=cosy,∂y∂u=−xsiny
∂x∂v=siny,∂y∂v=xcosy
因此:
∂x∂z=∂u∂z∂x∂u+∂v∂z∂x∂v
=2ueu2+v2cosy+2veu2+v2siny
=2eu2+v2(ucosy+vsiny)
=2ex2⋅x=2xex2
∂y∂z=∂u∂z∂y∂u+∂v∂z∂y∂v
=2ueu2+v2(−xsiny)+2veu2+v2(xcosy)
=2xeu2+v2(−usiny+vcosy)
=2xex2⋅0=0
例2:隐函数求导
题目:设 x2+y2+z2=3xyz,求 ∂x∂z 和 ∂y∂z。
解:
设 F(x,y,z)=x2+y2+z2−3xyz=0
Fx=2x−3yz,Fy=2y−3xz,Fz=2z−3xy
∂x∂z=−FzFx=−2z−3xy2x−3yz
∂y∂z=−FzFy=−2z−3xy2y−3xz
例3:方程组确定的隐函数
题目:设方程组 {x+y+u+v=0x2+y2+u2+v2=1 确定隐函数 u=u(x,y),v=v(x,y),求 ∂x∂u。
解:
设 F=x+y+u+v,G=x2+y2+u2+v2−1
Fu=1,Fv=1,Fx=1
Gu=2u,Gv=2v,Gx=2x
雅可比行列式:
J=12u12v=2v−2u=2(v−u)
∂x∂u=−J112x12v=−2(v−u)2v−2x=v−ux−v
例4:参数方程确定的函数求导
题目:设 {x=a(t−sint)y=a(1−cost),求 dxdy 和 dx2d2y。
解:
dtdx=a(1−cost),dtdy=asint
dxdy=dtdxdtdy=a(1−cost)asint=1−costsint
利用三角恒等式 sint=2sin2tcos2t,1−cost=2sin22t:
dxdy=2sin22t2sin2tcos2t=cot2t
dx2d2y=dtd(cot2t)⋅dxdt=−21csc22t⋅a(1−cost)1
=−2a1⋅sin22t1⋅2sin22t1=−4asin42t1