复合函数求偏导的两种理解方式

一、题目题目 - 荒原之梦

已知 u = x+y2, v = xy2, w = zey, 取 u, v 为新自变量,w = w(u,v) 为新函数,请将下面的方程变换为以 uv 为自变量的表示形式:

2zx2+2zxy+zx=z

难度评级:

二、解析 解析 - 荒原之梦

首先,我们要明白,在本题中,真正的自变量就是 xy, 之后再把 xy 封装到 uv 中,形成函数 u(x,y)v(x,y), 之后,将 uv 看作自变量,对 2zx2 + 2zxy + zx = z 这个式子进行变形,如图 01 所示:

复合函数求偏导的两种理解方式 | 荒原之梦考研数学 | 图 01.
图 01.

接着,由 w = zey 得:

z=eyw

且:

{u=x+y2v=xy2

§2.1 zx

对于 zx, 我们有:

zx=ey(wuux+wvvx)=ey(12wu+12wv)

§2.2 2zx2

对于 2zx2, 我们有:

2zx2=x[ey(12wu+12wv)]=eyx(12wu+12wv)=ey(12xwu+12xwv)

接下来,我们要对 w(u,v) 这个复合函数求偏导。

其中一种对复合函数求偏导的方法就是直接使用下面的复合函数求导公式:

w(u,v)x=wuux+wvvx

又因为:

复合函数求偏导的两种理解方式 | 荒原之梦考研数学 | 图 02.

于是:

2zx2=ey(12xwu+12xwv)=ey(12wxu+12wxv)=ey[12(wuux+wvvx)u+12(wuux+wvvx)v]=ey[12(wu12+wv12)u+12(wu12+wv12)v]=ey14[(wu+wv)u+(wu+wv)v]=ey(142wu2+142wuv+142wvu+142wv2)

如果考试的时候没有记住复合函数求导公式,则可以尝试下面这种计算思路,所得的结果和上面用复合函数求导公式计算出来的结果是一样的:

由于:

uxu=xvxv=x

所以,我们可以认为:

x=uxu+vxv xwu=(uxu+vxv)wu xwv=(uxu+vxv)wv

于是:

2zx2=ey(12xwu+12xwv)=ey[12(uxu+vxv)wu+12(uxu+vxv)wv]=ey[12(12u+12v)wu+12(12u+12v)wv]=ey(142wu2+142wuv+142wvu+142wv2)

§2.3 2zxy

对于 2zxy, 我们有:

2zxy=y[ey(12wu+12wv)]=ey(12wu+12wv)+eyy(12wu+12wv)=ey(12wu+12wv)+ey(12ywu+12ywv)=ey(12wu+12wv)+ey[12(uyu+vyv)wu+12(uyu+vyv)wv]=ey(12wu+12wv)+ey[12(12u+12v)wu+12(12u+12v)wv]=ey(12wu+12wv)+ey(142wu2142wuv+142wvu142wv2)

综上,我们有:

zx=ey(12wu+12wv)2zx2=ey(142wu2+142wuv+142wvu+142wv2)2zxy=ey(12wu+12wv)+ ey(142wu2142wuv+142wvu142wv2)

将上面的式子代入 2zx2 + 2zxy + zx = z 得:

ey(12wu+12wv)+ ey(142wu2142wuv+142wvu142wv2)+ ey(142wu2+142wuv+142wvu+142wv2)+ ey(12wu+12wv)=z 12ey(2wu2+2wvu)=z 2wu2+2wuv=2w


荒原之梦考研数学思维导图
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