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(1)

V、课程同步练习

6 章 多元函数微分学 导学 6.1 多元函数微分的基本概念

6.1.1 点集与多元函数的概念  

一、填空题

1.已知

,

2 2

y x y xy x

f   ,则 f

tx,ty

= 2 2 y x

xy

 解: f

tx,ty

   

   

2 2 2 2 2 2

2 2

2 x y

xy y

t x t

xy t ty

tx ty tx

 

 

 

2. 设zy f (3x 1),且已知y=1时,z=x,f x( )(x1)31,zy x 1.

解:由y=1时,z=x,得 f(3x1)=x1.

3x1=t.得因此即x (t 1) ,3 f t( ) ( t 1)31. f x( ) ( x1)31,zy x 1.

3.设

z x y    f x y (  )

,且当

y  0

时,

z x

2,求

f x ( )

:将

y  0

代入原式得:

x

2

   x 0 f x (  0)

,故

f x ( )  x

2

x

二、选择题

1.函数

z  ln( x

2

y

2

  1) 2  x

2

y

2 的定义域为(B ).

(A)

x

2

y

2

 1

(B)

1  x

2

y

2

 2

(B)

x

2

y

2

 2

(D) x2y2 2

2.

函数 的定义域是( )。

(A ) (B ) (C ) (D )

解 : 由函数的表达式知函数的定义域为 即 ,故应选

( C )。

(2)

3.

( A ) ( B ) ( C ) ( D )

解:由题设 , 故应选

(A)。

三、求解下列各题 1. 下列各函数表达式:

(1) 已知f(x,y)=x2+y2,求f x y xy(  , );

(2) 已知f x y xy(  , )x2y2,求f(x,y).

解:(1) f x y(  , xy) ( x y )2( xy)2x2xy y2

(2)f x y( , xy)x2y2(x y )22

 

xy 2

所以f x y( , )x22y2

2. 求下列函数的定义域,并指出其在平面直角坐标系中的图形:

(1) 2 2

sin 1 z 1

x y

   ; (2) z 1x2y21;

(3) f x y( , ) 1xln(x y ); (4)

2 2

2

arcsin(3 )

( , ) x y

f x y

x y

 

 

解:(1)由x2y2 1 0可得x2y21

故所求定义域为D={(x,y)| x2y21}表示xOy平面上不包含圆周的区域。

(2)由

2 2

1 0

1 0 x y

  

  

可得 1 1

1 1

x

y y

  

   

 或

(3)

故所求的定义域为D={(x,y)| 1  x 1且或y1 y 1},表示两条带形闭域。

(3)由

1 0 0 x x y

  

  

 可得

x 1 y x

 

 

故所求的定义域为D={(x,y)| x1且y x },表示xOy平面上直线y=x以下且横坐标 1

x 的部分。

(4)由

2 2

2

1 3 1

0 x y x y

    

  

 可得

2 2

2

2 x y 4

y x

   

 

故所求的定义域为D={(x,y)| 2x2y24且y2x}。

6.1.2 二元函数的极限及连续性 一、填空题

1.二元函数的极限  

 

x xy

y x

lim sin

2 , 0

, =___2__

解:

 

 

 

 

lim

 

2 sin 1

sin lim

lim

0,2 , 0,2 , 0,2

,

    

y y

xy xy x

xy

y x y

x y

x

2.二元函数的极限

2 2

1 0

lim 1

y x

xy

y x

 

= 1

解: 2 2 1 0

lim 1

y x

xy

y x

 

0 1 1

0

1 

 

(4)

3.

lim (

2 2

)

(x y)

x y

x y e

 



=___0__

: 原式

2 2

( ) 2 ( ) 2

lim

x y

lim (

x y x y

)

x x

y y

x y xy x y x y

e

e

e e

 

 

  

   

2

lim

x

0, lim

y

0

x x

y y

x y

e e

 

 

 

2 2

( ) 2 2

lim

x y u x y

lim

u

lim

u

lim

u

0

x u u u

y

x y u u

e e e e

 

   



    

2 2 ( )

lim( )

x y

0

xy

x y e

 



 

二、选择题

1.下列极限存在的是( )

(A)

y x

x

y x 0 0

lim

;(B)

y

y x

x  lim 1

0 0

;(C

x y x

x y

2

0 0

lim

;(D

y x x

x y

sin 1 lim

0 0

.

解:有界函数与无穷小的乘积为无穷小。选( D )

2.已知

2 2

2 2, ( , ) (0,0) ( , )

0, ( , ) (0,0) x y x y f x y x y

x y

  

 

 

,则f(x,y)在(0,0)处(    )

(A)极限存在;(B)连续;(C)不连续;(D)无法判断

解:

2 2 2 2 2

2 2 2 2 2 2

( , ) (0,0) 0

lim lim 1

1

x y x

y kx

x y x kx k

x y x k x k

    

  

该极限随着k的取值不同而不同,因而f(x,y)在(0,0)处不连续. 选( C )

3.

3

6 2

0 0

limx y

x y x y

 为(     )

(A)极限不存在;(B)0;(C)无穷大;(D)无法判断 解:当点P(x,y)沿曲线

y kx

3趋于点(0,0)时,有

3

3 6

6 2 2 6 2

( , ) (0,0) 0

lim lim

( 1) 1

x y x

y kx

x y kx k

x y k x k

 

   。

显然,此时的极限值随k的变化而变化。 因此,函数f(x,y)在(0,0)处的极限不存在。选

( A )

三、求解下列各题 1. 计算下列极限:

(5)

(1)

3 3

( , ) (0,0)

sin( )

x ylim

x y x y

 ;    (2) 0 2 2

0

lim

x y

xy x y

(3)

2 2 2 2

2 2 3

00

lim sin

( )

xy

x y x y

x y

  

;(4) 2 2

2 2

2 2

0 0

1 cos( )

lim

xy

( )

x y

x y x y e

 

解:(1)

3 3 3 3

2 2

3 3

( , ) (0,0) ( , ) (0,0)

sin( ) sin( )

lim lim ( ) 0

x y x y

x y x y x xy y

x y x y

     

 

(2) 0 2 2

0

lim

x y

xy x y

方法一: (应用二重极限定义,

  

语言)

2 2

2 2

2 2 2 2

1 2 2

xy x y

x y

x y x y

   

 

    0

取,

  =2

0  x

2

y

2

 

时 恒有 2

xy

2

0 x y   

0 2 2

0

lim 0

x y

xy x y

 

方法二: (夹逼定理)

2 2 2 2

0 xy x | | | |

y y

x y x y

   

 

,又 00

lim | | 0

xy

y

2 2

00

lim 0

xy

xy x y

 

方法三: (极坐标代换)

x r  cos ,  y r  sin 

,则当

( , ) x y  (0,0)

时,

r  0 (0    2 ) 

0 2 2 0 0

0

cos sin

lim lim lim cos sin 0

x r r

y

xy r r

r r x y

   

  

(3)

2 2 2 2

2 2 3

0 0

lim sin

( )

x y

x y x y

x y

  

知识点:二重极限。

思路:先作变量替换,然后对未定型

0

0

应用洛必达法则及等价无穷小量替换。

: 令

x

2

y

2

u

,则

( , ) x y  (0, 0)

时,

u  0

(6)

原式 2

3 2 2

0 0 0

1

sin 1 cos 2 1

lim lim lim

3 3 6

u u u

u u u u

u u u

 

洛必达

  

(4) 2 2

2 2

2 2

0 0

1 cos( )

lim

xy

( )

x y

x y x y e

 

2 2 2 2

2 2 2 2 2 2

2 2 2 2

2 2

0 0 0 0

0 0 0 0

1 cos( ) 1 cos( ) 1 cos( )

lim lim lim lim

( ) ( )

( )

x y

x x y x x x

y y y y

x y x y x y

x y e x y

x y e

       

 

1 0

0 x

x y

 

   

2.证明下列极限不存在

(1)

1 0

0

lim(1 )

x y

x y

xy

;    (2)

00

lim 1 1

xy

xy x y

 

知识点:二重极限。

思路:若

( , ) x y

沿不同曲线趋于

( , ) x y

0 0 时,极限值不同,则二重极限不存在。

(1)

1 00

lim(1 )

x y

xy

xy

方法一

1 1 1

0 0 0

0 0 0

lim(1 ) lim(1 ) lim[(1 ) ]

xy xy

x y xy x y xy x y

x x x

y y y

xy

xy

xy

    

现考虑 0

0

lim

xy

( ) xy x y

( , ) x y

沿

x

轴趋于

(0,0)

,则 上式 0

0

lim 0 0 2

xy

x

 

,从而 1 0

00

lim(1 )

x y

1

xy

xy

e

  

( , ) x y

沿曲线

1 y x

x

趋于

(0,0)

,则 00

lim

xy

( ) xy x y

0

1

lim 1 1

1

x y x

x

x x x x x x

  

 

从而

1 0

0

lim(1 )

x y

x y

xy

e

 

故原式极限不存在。

方法二

若取

1 1

n

,

n

x y

n n

 

,则

(7)

2

1 1

2 0

2

2 2

00

1 1

lim(1 ) lim(1 ) lim (1 ) 1

n n n

x y

x n n

y

xy e

n n

 

 

          

若取

1 1

, 1

n n

x y

n n

  

,则

( 1) 1

0 0

lim(1 ) lim 1 1

( 1)

n n x y

x n

y

xy e

n n



 

        

故原式极限不存在。

(2) 0 0

lim 1 1

xy

xy x y

 

0 0

0 0

lim 1 1 lim

( )( 1 1)

x x

y y

xy xy

x y x y xy

  

   

( , ) x y

沿

x

轴趋于

(0,0)

,则 上式 0

0

lim 0 0 2

xy

x

 

( , ) x y

沿曲线

1 y x

x

趋于

(0,0)

,则上式 0

1

1 1

lim 2( ) 2

1

x y x

x

x x x x x x

  

 

故原式极限不存在。

:若

( , ) x y

沿曲线

y   x

趋于

(0,0)

,则 2

0 0

0

( )( 1 1) 0

lim lim 0

x x

y y x

x y xy

xy x



  

 

从而 0 0

0 0

lim 1 1 lim

( )( 1 1)

x x

y y

xy xy

x y x y xy

    

   

3.研究下列函数的连续性

(1)

2 2

( , ) 2

2

y x

f x y

y x

 

;(2)

2 2

( , ) ln( )

f x yxy xy

:(1)

2 2

( , ) 2

2

y x

f x y

y x

 

;

y

2

 2 x  0

时函数无定义,故函数的间断点集为

{( , ) | x y y

2

 2 } x

(2)

f x y ( , )  xy ln( x

2

y

2

)

: 函数间断点为

(0,0)

, 由 2 2

1

2 2 2 2

0 | ln( ) | | ( ) ln( ) |

xy x y 2 x y x y

    

(8)

2 2

2 2 2 2

0 0 0 0

0 2

1

ln u

lim( ) ln( ) lim ln lim lim 0

1 1

u x y

x u u u

y

x y x y u u u

u u

 

     

洛必达

故由夹逼定理

2 2

00

lim ln( ) 0

xy

xy x y

 

,故

(0,0)

为可去间断点。

6.1.3 偏导数 一、填空题

1. 设z=ex+f(x-2y),且已知y=0时,z=x2,则 z

 x

 . 解:令y0得因此,f x( )x2ex, z ex(x2 )y 2ex2y,

所以 z ex 2(x 2 )y ex 2y. x

    

 2. 设

3

2 2, ( , ) (0,0) ( , )

0, ( , ) (0,0)

x x y

f x y x y

x y

 

 

 

,则fx(0,0) 1 , fy(0,0) 0 .

解: 0 0

(0 ,0) (0,0)

(0,0) lim lim 1,

x x x

f x f x

f   x   x

   

    

0 0

(0,0 ) (0,0) 0

(0,0) lim lim 0.

x x x

f y f

f   y   y

  

  

 

3. 设zln( xy),则x z y z

x y

   

  .

解:

1 1 1 1 2 2

, y

z x z

x x y y x y

   

   

所以 1 (2 ) 1. 2

x y

z z

x y

x y x y

     

  

二、选择题

1.

设 在点 处偏导数存在,则

(A ) (B ) (C ) (D )

(9)

解:根据偏导数的定义,有

故应选(C)。

2.偏导数fx(x0,y0),fy(x0,y0)存在是函数z=f(x,y)在点(x0,y0)连续的(   ) (A)充分条件 (B)必要条件

(C)充要条件 (D)即非充分也非必要条件

解:解:因为偏导数存在,不能推出极限存在,所以ABC三项不一定正确. 选( D ) . 3.

设 其中 f 为可微函数,则

(A) (B) (C) (D)

故应选(D)。

三、求解下列各题

1. 求下列函数偏导数:

(1) z xylnxy x( 0,y0,x1);(2) u xzy; (3) ucos(x2y2ez)

解:(1) z yxy 1 y yxy 1 1, z xylnx 1.

x xy x y y

       

 

(10)

(2) 1, ln ( 2).

z z

y y

u zx u x x z

x y y y

    

  

ln ( )1

z

u xy x

z y

  

(3) u sin(x2 y2 e z) 2 ,x x

    

 

z sin(x2 y2 e z) ( 2 ) 2 sin(y y x2 y2 e z).

y

        

 

u sin(x2 y2 e z) ( e z) z

     

 

ezsin(x2y2ez)

2. 求下列函数在指定点处的偏导数:

(1) f(x,y)=x2xy+y2,求fx(1,2),fy(1,2);

(2) f x y( , ) arctanx2 y2 x y

 

 ;求fx(1,0)

(3) f x y( , ) ln x2y2sin(x21)earctan(x2 x2y2); 求fx(1,2);

(4) f x y z( , , ) ln( x yz ), 求ffx(2,0,1), (2,0,1), (2,0,1)fy z .

解:(1) ( , ) 2f x yxx y f x y , ( , )y   x 2 .y

fx(1, 2) 2 2 0, (1, 2)   fy    1 4 3.

(2) ( ,0) arctan , ( ,0) 1 2

x 1

f x x f x

  x

故  因此 (1,0) 1 1.

1 1 2

fx  

(3) ( , 2) 1ln( 2 4) sin( 2 1) arctan(2 2 4 ) 2

x x

f xx   xe

因此

2 2

2 2

2 arctan( 4 )

2

2 arctan( 4 ) 2

2 2 2

( , 2) 1 2 cos( 1) 2

2 4

1 2

2 2 4

sin( 1) .

1 ( 4)

x x

x

x x

f x x x x e

x

x x x e x

x x

  

 

 

  

 

所以 (1, 2) 1 2 arctan(1 5 )

x 5

f   e .

(4) f x y zx( , , ) 1 , ( , , )f x y zy z , ( , , )f x y zz y .

x yz x yz x yz

 

  

  

故 (2,0,1) 1, (2,0,1) 1, (2,0,1) 0.

2 2

x y z

ff   f

(11)

3.

设 证明

证明:

于是 左

注意,本例还可以利用二元函数隐函数来解偏导数:

两边取对数

(12)

代入左端即可得结论。

6.1.4 高阶偏导数 一、填空题

1. 设u yf( )y xg( )x

x y

  ,其中f,g具有二阶连续偏导数,则 22 2

u u

x y

x x y

    

 .

解: 2

'( )y y ( ) '( ) ,1

u yf g x xg x

x x x y y y

 

    

2 2

2 4 3 2

2 1 1 1

''( )y y '( )y y '( ) '( ) ''( ) ,

u yf yf g x g x xg x

x x y y y y y

x x x y

 

      

2 2 2

2 3 2 2 3 2

''( )y y '( )y 2y '( ) ''( ) '( ) ,

u f f g x x g x x g x x

x x y y y

x x x y y y

 

       

所以 22 2

u u

x y

x x y

    

 0.

2. 设z 1 ( )f xy yg x y( )

x   ,,其中f,g具有二阶连续偏导数,则 2z x y

 

  . 解: 2

1 ( ) y '( ) '( ),

z f xy f xy yg x y

x x x

     

2z 1 f xy'( ) 1 f xy'( ) y f xy x g x y''( ) '( ) yg x y''( )

x y x x x

        

 

yf xy''( )g x y'(  )yg x y''(  ). 3.设

x xy y

u  ,则

y x

u

2

=

1

2

1  x

(13)

解: 2

x y y x u  

2

2 1

1 x y

x

u  

二、选择题

1.函数zf

x,y

的两个二阶混合偏导数 x y z

2

y x z

2

在区域

D

内连续是这两个二 阶混合偏导数在区域

D

内相等的(      )条件。

(A)必要;(B)充分;(C)充要;(D)无法判断 解:选( B )

2.已知 0

x

f ,则( )

(A) f

x,y

关于

x

为单调递增;   (B) f

x,y

0;

(C) 2

0

2

x

f

;      (D) f

x,y

x

y21

.

解: 0

x

f ,把 f 看成是

x

的函数,所以 f 关于

x

为增函数。选( A )

三、求解下列各题

1.求下列函数的二阶偏导数 22

z x

 ,

2 2

z y

 , 2z y x

  :

(1) z4x33x y2 3xy2 x y; (2) z x ln(x y ).

解:(1) z 12x2 6xy 3y2 1, 22z 24x 6 .y

x x

       

 

2 2

3 6 1, 2 6 .

z x xy z x

y y

      

 

(2)

2

2 2 2

1 1 2

ln( ) , .

( ) ( )

x y x x y

z x y x z

x x y x x y x y x y

  

       

     

2

2 2

, .

( )

z x z x

y x y y x y

    

   

2.设rx2y2z2,证明:

(1)

2 2 2

r r r 1

x y z

 

  

     

     

      ;

(2)

2 2 2

2 2 2

2

r r r

x y z r

   

   ;

(3)

2 2 2

2 2 2 2

(ln )r (ln )r (ln )r 1

x y z r

   

   .

证明: r x

 2 2 2 x x y z

   x,

r

(14)

利用函数关于自变量的对称性,可推断得到: r y

y,

r r z

 z.

r (1)

 

rx 2 ry 2

 

rz 2 x2 ry22 z2 rr22 1

 

 

       

    (2)

2

2 2 2

2 2 2 3

r x

r x r

r x r r x

x r r r

  

     

利用函数关于自变量的对称性,可推断得到:

2 2

2 2 2 2

2 r 3y , 2 3

r r r z

y r z r

     

 

2 2 2

2 2 2 2

2 2 2 3 3

3r x y 2 2 .

r r r r

x y z r r r

 

  

     

  

(3) ln 1ln( 2 2 2), (ln ) 2 2 2 2 2

r x x

r x y z

x x y z r

       

2 2 2 2

2 4 4

(ln )r r x r2 rx r 2x

x r r

 

    

利用函数关于自变量的对称性,可推断得到:

2 2 2 2 2 2

2 4 2 4

(ln )r r 2y , (ln )r r 2z .

y r z r

     

 

2 2 2 2 2 2 2

2 2 2 4 2

(ln )r (ln )r (ln )r 3r 2(x y z ) 1

x y z r r

     

    

   .

6.1.5 全增量及全微分 一、填空题

1.设z arctanx y x y

 

 ,,则dz . 解:令u x y v x y, , z arctanu

    则  v

2 2 2

1 1 1

(arctan )

1 ( ) 1 ( )

u u

dz d du dv

u u

v v v

v v

  

 

du dx dy dv dx dy  ,  

2

( )( )

1 1 [ ]

1 1

x y dx dy

dz dx dy

x y x y

x y xy

 

       

    xdy ydx2 2 .

x y

 

2.已知zf

x,y

sin

 

xy ,则dz,1 =dxdy

解:

 

 

dy dx

dy xy

x dx xy

y dy z

dx z

dz x y

1 1 1 1

1 , , , ,

, cos cos

3.已知z f

x,y

x2 y2,则 f

x,y

1,1

处当x0.1,y0.2时,

(15)

dz=0.6

解:dzzx 1,1xzy 1,1y20.120.20.6 二、选择题

1.函数zf

x,y

在点

x

0

, y

0

处具有偏导数是它在该点存在全微分的( )

(A)必要而非充分条件;(B)充分而非必要条件;

(C)充分必要条件;(D)既非充分又非必要条件.

解:偏导数连续则存在全微分,所以偏导数只是全微分的必要条件。选( A ) 2.肯定不能成为某二元函数 f

x,y

全微分的是( )

(A)ydxxdy;(B)ydxxdy;(C)xdx ydy ;(D)xdx ydy. 解:ydxxdyd

 

xy

2 2

2

1d x y ydx

xdx   ;

2 2

2

1d x y ydx

xdx   .选( B ) 3.使得df f 的函数 f 是( )

(A)axbyc;(B)sinxy;(C)exey ;(D)x2y2. 解:d

axbyc

adxbdyaxby

fa

xx

 

b yy

c

axbyc

axbyfdf ,选( A )

三、求解下列各题

1. 求下列函数的全微分

(1)

z xy

在点(2,3)

处当

limxy10 x12xyy 2

解:全增量

z f(20.1,30.2) f(2,3)2.12.860.12

x y

dzz dx z dy     ydx xdy

(2,3) 0.1

0.2

3 0.1 2 ( 0.2) 0.1

dx dy

dz



      

(2)

zln(1x2 y2),x1,y2时的全微分

2 2 2 2

2 2

1 1

z z x y

dz dx dy dx dy

x y x y x y

 

   

     

dy dx dy dx

dz 3

2 3 1 4 1 1

4 4

1 1

2

) 2 , 1

(  

 

 

(3)

u xy yz zx    , 求 du

u u u

du dx dy dz

x y z

  

  

  

dz y x dy z x dx z

y ) ( ) ( )

(     

2.计算下列各式的近似值

(分析运用公式

f x (   x y    y ) f x y ( , )  f x y  ( , )   x f x y  ( , )  y

(16)

(1)(10.1)2.03

解:令

f(x,y)xy,x010,x0.1,y02,y0.03

(10.1)

2.03

f x (

0

  x y ,

0

   y ) f x y ( , )

0 0

f x y

x

 ( , )

0 0

  x f x y

y

 ( , )

0 0

y

102yxy1 (10,2)0.1xylnx (10,2)0.01 10023ln10108.9

(2) ln(31.034 0.981)

解 : 令

f(x,y)ln(3 x 4 y 1)

x0 1,x0.03,y0 1,y 0.02

原式  f (1 0.03,1 0.02)  

2 3

3 4

(1,1)

3 4

1

ln( 1 1 1) 3 | (0.03)

1 x

x y

    

 

3 4

(1,1)

3 4

1

4 | ( 0.02)

1 y

x y

  

 

= 0+ 0.02 0.005

4 03 1 . 3 0

1   

3. 设有一个无盖圆柱形玻璃容器,容器的内高为20 cm,内半径为4 cm,容器的壁与底 的厚度均为0.1 cm,求容器外壳体积的近似值.

解:解 设圆柱的直径和高分别用xy表示,则其体积为

2 1 2

( , ) ( )

2 4

Vf x yπyπx yx  .

于是,将所需的混凝土量看作当xx=8+2×0.1,yy=20+0.1与x=8,y=20时的两个 圆柱体的体积之差ΔV(不考虑底部的混凝土),因此可用近似计算公式

ΔV≈dV=fx(x,yx+fy(x,yy.

又 ( , ) 1 , ( , ) 1 2

2 4

x y

f x yπxy f x yπx  ,代入x=8,y=20,Δx=0.2, Δy=0.1,得到

1 1 2

d 8 20 0.2 8 0.1 17.6 55.264.

2 4

V V   

           (m3).

因此,大约需要55.264m3的混凝土.

Referensi

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