V、课程同步练习
第 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 2y x y xy x
f ,则 f
tx,ty
= 2 2 y xxy
解: f
tx,ty
2 2 2 2 2 22 2
2 x y
xy y
t x t
xy t ty
tx ty tx
2. 设z y f (3x 1),且已知y=1时,z=x,则f x( )(x1)31,z y x 1.
解:由y=1时,z=x,得 f(3x1)=x1.
令3x1=t.得因此即x (t 1) ,3 f t( ) ( t 1)31. f x( ) ( x1)31,z y x 1.
3.设
z x y f x y ( )
,且当y 0
时,z x
2,求f x ( )
。解: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 22.
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 )。
3.
设
( 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 y 2
(2)f x y( , xy)x2y2(x y )22
xy 2所以f x y( , )x22y2
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 1x2 y21;
(3) f x y( , ) 1xln(x y ); (4)
2 2
2
arcsin(3 )
( , ) x y
f x y
x y
解:(1)由x2y2 1 0可得x2y21
故所求定义域为D={(x,y)| x2y21}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
故所求的定义域为D={(x,y)| 1 x 1且或y1 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)| x1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)| 2x2y24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 10
1
3.
lim (
2 2)
(x y)x y
x y e
=___0__解: 原式
2 2
( ) 2 ( ) 2
lim
x ylim (
x y x y)
x x
y y
x y xy x y x y
e
e
e e
,
2
lim
x0, lim
y0
x x
y y
x y
e e
2 2
( ) 2 2
lim
x y u x ylim
ulim
ulim
u0
x u u u
y
x y u u
e e e e
,
2 2 ( )
lim( )
x y0
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:
(1)
3 3
( , ) (0,0)
sin( )
x ylim
x y x y
; (2) 0 2 2
0
lim
x yxy x y
;(3)
2 2 2 2
2 2 3
00
lim sin
( )
xy
x y x y
x y
;(4) 2 22 2
2 2
0 0
1 cos( )
lim
xy( )
x yx 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 yxy x y
解: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
当0 x
2 y
2
时 恒有 2xy
20 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 00lim | | 0
xy
y
2 2
00
lim 0
xy
xy x y
方法三: (极坐标代换)
令
x r cos , y r sin
,则当( , ) x y (0,0)
时,r 0 (0 2 )
0 2 2 0 00
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。解: 令
x
2 y
2 u
,则( , ) x y (0, 0)
时,u 0
,
原式 23 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 yx y x y e
解:
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 yx 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 yxy
xy
证: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
,若
( , ) x y
沿x
轴趋于(0,0)
,则 上式 00
lim 0 0 2
xy
x
,从而 1 000
lim(1 )
x y1
xy
xy
e
若
( , ) x y
沿曲线1 y x
x
趋于(0,0)
,则 00lim
xy( ) xy x y
01
lim 1 1
1
x y x
x
x x x x x x
,
从而
1 0
0
lim(1 )
x yx y
xy
e
故原式极限不存在。
方法二:
若取
1 1
n
,
nx y
n n
,则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
解: 0 0
0 0
lim 1 1 lim
( )( 1 1)
x x
y y
xy xy
x y x y xy
若
( , ) x y
沿x
轴趋于(0,0)
,则 上式 00
lim 0 0 2
xy
x
若
( , ) x y
沿曲线1 y x
x
趋于(0,0)
,则上式 01
1 1
lim 2( ) 2
1
x y x
x
x x x x x x
故原式极限不存在。
注:若
( , ) x y
沿曲线y x
趋于(0,0)
,则 20 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 y xy x y
解:(1)
2 2
( , ) 2
2
y x
f x y
y x
;当
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)
解: 函数间断点为
(0,0)
, 由 2 21
2 2 2 20 | ln( ) | | ( ) ln( ) |
xy x y 2 x y x y
又
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=e-x+f(x-2y),且已知y=0时,z=x2,则 z
x
. 解:令y0得因此,f x( )x2ex, z e x(x2 )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zln( x y),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 )
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 x ylnxy x( 0,y0,x1);(2) u x zy; (3) ucos(x2y2ez)
解:(1) z yxy 1 y yxy 1 1, z xylnx 1.
x xy x y y
(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)=x2-xy+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 x2y2sin(x21)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 yx x 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 x x x e
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
f f f
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
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
21 x
解: 2
x y y x u
22 1
1 x y
x
u
二、选择题
1.函数z f
x,y
的两个二阶混合偏导数 x y z
2
及 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) z4x33x 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r x2y2z2,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
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
而du dx dy dv dx dy ,
故 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z f
x,y
sin
xy ,则dz,1 =dxdy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
在
1,1
处当x0.1,y0.2时,dz=0.6
解:dzzx 1,1xzy 1,1y20.120.20.6 二、选择题
1.函数z f
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)x2 y2. 解:d
axbyc
adxbdyaxbyf a
xx
b yy
c
axbyc
axby f df ,选( A )三、求解下列各题
1. 求下列函数的全微分
(1)
求 z xy
在点(2,3)处当
limxy10 x12xyy 2解:全增量
z f(20.1,30.2) f(2,3)2.12.860.12x y
dz z dx z dy ydx xdy
(2,3) 0.1
0.2
3 0.1 2 ( 0.2) 0.1
dx dy
dz
(2)
求
zln(1x2 y2),当x1,y2时的全微分解
: 2 2 2 22 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 解
: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
)(1)(10.1)2.03
解:令
f(x,y) xy,取x0 10,x0.1,y0 2,y 0.03(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
102 yxy1 (10,2)0.1xylnx (10,2)0.01 10023ln10108.9
(2) ln(31.034 0.981)
解 : 令
f(x,y)ln(3 x 4 y 1)取
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x,y表示,则其体积为
2 1 2
( , ) ( )
2 4
V f x yπyπx y x .
于是,将所需的混凝土量看作当x+Δx=8+2×0.1,y+Δy=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,y)Δx+fy(x,y)Δy.
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.