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数学
题目

已知函数z=f(e^y ,x^2y),其中z=f(e^y ,x^2y)具有二阶连续偏导数,求z=f(e^y ,x^2y)。

已知函数,其中具有二阶连续偏导数,求。

题目解答

答案

由题意得,已知函数,对求偏导,则有,再对求偏导,得到

,因为具有二阶连续偏导数,所以。

解析

考查要点:本题主要考查多元复合函数的偏导数计算,特别是二阶混合偏导数的求解。需要熟练掌握链式法则和乘积法则的应用。

解题核心思路:

  1. 识别中间变量:将函数$z=f(e^y, x^2y)$分解为中间变量$u=e^y$和$v=x^2y$,即$z=f(u,v)$。
  2. 一阶偏导数:对$y$求偏导时,需分别对$u$和$v$求导,再与$f$的偏导数结合。
  3. 二阶混合偏导数:先对$y$求偏导,再对$x$求导,注意应用乘积法则和链式法则展开。

破题关键点:

  • 链式法则:正确处理复合函数的导数传递关系。
  • 二阶连续偏导数:保证混合偏导数的顺序可交换,简化计算。

一阶偏导数$\dfrac{\partial z}{\partial y}$

  1. 中间变量导数:

    • $u = e^y \Rightarrow \dfrac{\partial u}{\partial y} = e^y$
    • $v = x^2y \Rightarrow \dfrac{\partial v}{\partial y} = x^2$
  2. 链式法则求和:
    $\dfrac{\partial z}{\partial y} = f'_1 \cdot \dfrac{\partial u}{\partial y} + f'_2 \cdot \dfrac{\partial v}{\partial y} = e^y f'_1 + x^2 f'_2$

二阶混合偏导数$\dfrac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}$

  1. 对$\dfrac{\partial z}{\partial y}$的结果求$x$的偏导:

    • 第一项$e^y f'_1$:
      • $f'_1$是关于$u$和$v$的函数,但$u$与$x$无关,故:
        $\dfrac{\partial}{\partial x}(e^y f'_1) = e^y \cdot \dfrac{\partial f'_1}{\partial v} \cdot \dfrac{\partial v}{\partial x} = e^y f'_{12} \cdot 2xy$
    • 第二项$x^2 f'_2$:
      • 应用乘积法则:
        $\dfrac{\partial}{\partial x}(x^2 f'_2) = 2x f'_2 + x^2 \cdot \dfrac{\partial f'_2}{\partial x}$
      • $f'_2$对$x$的导数:
        $\dfrac{\partial f'_2}{\partial x} = f'_{22} \cdot \dfrac{\partial v}{\partial x} = f'_{22} \cdot 2xy$
      • 合并得:
        $2x f'_2 + x^2 \cdot 2xy f'_{22} = 2x f'_2 + 2x^2 y f'_{22}$
  2. 最终结果:
    $\dfrac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = 2xy e^y f'_{12} + 2x f'_2 + 2x^2 y f'_{22}$

    • 可整理为:
      $2x \left( f'_2 + y e^y f'_{12} + x y f'_{22} \right)$

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