题目
13.(填空题,2分)函数z=ln(x+y)在抛物线y²=4x上的点(1,2)处,沿着这抛物线在该点处偏向x轴正向的切线方向的方向导数为____.正确答案:(1)(sqrt(2))/(3)
13.(填空题,2分)
函数z=ln(x+y)在抛物线y²=4x上的点(1,2)处,沿着这抛物线在该点处偏向x轴正向的切线方向的方向导数为____.
正确答案:
(1)$\frac{\sqrt{2}}{3}$
题目解答
答案
1. **求切线方向**:对抛物线 $y^2 = 4x$ 求导得 $2y \frac{dy}{dx} = 4$,在点 $(1,2)$ 处 $\frac{dy}{dx} = 1$,切线方向为 $(1,1)$,单位向量为 $\left(\frac{\sqrt{2}}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}\right)$。
2. **计算偏导数**:
\[
\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{1}{x+y}, \quad \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{1}{x+y}
\]
在点 $(1,2)$ 处均为 $\frac{1}{3}$。
3. **方向导数**:
\[
\frac{\partial z}{\partial l} = \frac{\partial z}{\partial x} \cos \alpha + \frac{\partial z}{\partial y} \cos \beta = \frac{1}{3} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{1}{3} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{\sqrt{2}}{3}
\]
**答案**:$\boxed{\frac{\sqrt{2}}{3}}$
解析
本题考查方向导数的计算,解题思路是先求出抛物线在指定点处偏向$x$轴正向的切线方向的单位向量,再计算函数在该点处的偏导数,最后根据方向导数的计算公式求出结果。
- 求切线方向及单位向量:
- 对抛物线方程$y^{2}=4x$两边同时对$x$求导,根据复合函数求导法则$(u^n)^\prime = nu^{n - 1}u^\prime$,这里$u = y$,可得$2y\frac{dy}{dx}=4$。
- 求解$\frac{dy}{dx}$,将上式两边同时除以$2y$,得到$\frac{dy}{dx}=\frac{2}{y}$。
- 把点$(1,2)$代入$\frac{dy}{dx}$,可得$\frac{dy}{dx}\big|_{(1,2)}=\frac{2}{2} = 1$。
- 切线的斜率$k = \frac{dy}{dx}=1$,切线方向向量可以取为$\vec{s}=(1,1)$。
- 单位向量$\vec{e}$的计算公式为$\vec{e}=\frac{\vec{s}}{\vert\vec{s}\vert}$,其中$\vert\vec{s}\vert=\sqrt{1^{2}+1^{2}}=\sqrt{2}$,所以单位向量$\vec{e}=\left(\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}}\right)=\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right)$。
- 计算函数$z = \ln(x + y)$的偏导数:
- 根据求导公式$(\ln u)^\prime=\frac{1}{u}u^\prime$,对$z$关于$x$求偏导数,把$y$看作常数,可得$\frac{\partial z}{\partial x}=\frac{1}{x + y}$。
- 对$z$关于$y$求偏导数,把$x$看作常数,可得$\frac{\partial z}{\partial y}=\frac{1}{x + y}$。
- 将点$(1,2)$代入偏导数中,$\frac{\partial z}{\partial x}\big|_{(1,2)}=\frac{1}{1 + 2}=\frac{1}{3}$,$\frac{\partial z}{\partial y}\big|_{(1,2)}=\frac{1}{1 + 2}=\frac{1}{3}$。
- 计算方向导数:
- 方向导数的计算公式为$\frac{\partial z}{\partial l}=\frac{\partial z}{\partial x}\cos\alpha+\frac{\partial z}{\partial y}\cos\beta$,其中$(\cos\alpha,\cos\beta)$是方向向量的单位向量。
- 已知$\frac{\partial z}{\partial x}\big|_{(1,2)}=\frac{1}{3}$,$\frac{\partial z}{\partial y}\big|_{(1,2)}=\frac{1}{3}$,单位向量$\vec{e}=\left(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2}\right)$,即$\cos\alpha=\frac{\sqrt{2}}{2}$,$\cos\beta=\frac{\sqrt{2}}{2}$。
- 代入公式可得$\frac{\partial z}{\partial l}=\frac{1}{3}\times\frac{\sqrt{2}}{2}+\frac{1}{3}\times\frac{\sqrt{2}}{2}=\frac{\sqrt{2}}{6}+\frac{\sqrt{2}}{6}=\frac{\sqrt{2}}{3}$。