8.5 隐函数微分法 📖 笔记p10-11

8.5.1 一个方程确定的隐函数

隐函数

类型1:$F(x,y) = 0$ → $y = y(x)$

隐函数存在定理

若 $F(x_0,y_0)=0$,$F$ 在 $(x_0,y_0)$ 邻域有连续偏导,且 $F_y(x_0,y_0)\neq 0$,则在 $(x_0,y_0)$ 附近唯一确定 $y=y(x)$,且

$$\frac{\dd y}{\dd x} = -\frac{F_x}{F_y}$$

类型2:$F(x,y,z)=0$ → $z = z(x,y)$

公式
$$\frac{\pp z}{\pp x} = -\frac{F_x}{F_z}, \qquad \frac{\pp z}{\pp y} = -\frac{F_y}{F_z} \quad (F_z \neq 0)$$
记忆技巧:对 $F(x,y,z)=0$ 关于 $x$ 求偏导($y$ 固定),把 $z$ 看作 $x$ 的函数:$F_x + F_z\cdot z_x = 0$,解出 $z_x = -F_x/F_z$。
本质就是对方程两边求偏导
隐函数求二阶偏导的两种方法

方法一(推荐):对方程 $F=0$ 两边对 $x$ 求偏导得 $F_x+F_z z_x=0$,再对 $x$ 求偏导(注意 $F_x,F_z,z_x$ 都是 $x,y,z$ 的函数):

$$F_{xx}+2F_{xz}z_x+F_{zz}z_x^2+F_z z_{xx}=0 \;\Rightarrow\; z_{xx}=-\frac{F_{xx}+2F_{xz}z_x+F_{zz}z_x^2}{F_z}$$

方法二:先用公式法算出 $z_x=-\frac{F_x}{F_z}$,然后对这个分式求偏导(商的求导法则,注意 $z$ 也是变量)。

方法一更不容易出错,推荐在考试中使用。

辨析:三种"对方程求偏导"的情形

隐函数的存在性判断

笔记例题:$F(x,y)=0$ 确定了隐函数。

8.5.2 方程组确定的隐函数

隐函数方程组

类型3:两个方程确定两个隐函数

方程组

$\begin{cases}F(x,y,u,v) = 0 \\ G(x,y,u,v) = 0\end{cases}$ 确定 $u=u(x,y)$,$v=v(x,y)$

Jacobi行列式:$J = \dfrac{\pp(F,G)}{\pp(u,v)} = \begin{vmatrix}F_u & F_v \\ G_u & G_v\end{vmatrix} \neq 0$

求 $u_x, v_x$:对两个方程关于 $x$ 求偏导:

$$\begin{cases}F_x + F_u u_x + F_v v_x = 0 \\ G_x + G_u u_x + G_v v_x = 0\end{cases}$$

解这个关于 $u_x, v_x$ 的二元一次方程组。

笔记例题:$\begin{cases}u = f(x,y) \\ g(x,y,z) = 0\end{cases}$,其中 $v = v(x,y)$,求 $\frac{\pp u}{\pp x}$。

第一个方程直接给出 $u$,不涉及隐函数。但如果 $f$ 中包含 $z$,而 $z$ 由第二个方程隐含确定,则需要用链式法则 + 隐函数求导的组合。

Jacobi行列式的重要性:$J \neq 0$ 是隐函数组存在的充分条件。在变量替换中,$J$ 也是坐标变换的"伸缩因子"(后面二重积分变量替换会用到 $|\frac{\pp(x,y)}{\pp(u,v)}|$)。

📝 精选例题:隐函数微分法

【2022-2023 解答11】 方程 $xe^z+ye^x=0$ 确定 $z=z(x,y)$,在 $(0,0)$ 处求 $z_x,z_y,z_{xx}$。已知 $z(0,0)=0$。
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令 $F=xe^z+ye^x$。

$F_x=e^z+ye^x$,$F_y=e^x$,$F_z=xe^z$。

在 $(0,0,0)$:$F_x=1$,$F_y=1$,$F_z=0$。但 $F_z=0$!隐函数定理条件不满足?

此时用方程两边求偏导法:对 $xe^z+ye^x=0$ 两边对 $x$ 求偏导:

$$e^z+xe^z z_x+ye^x=0 \quad\Rightarrow\quad z_x=\frac{-(e^z+ye^x)}{xe^z}$$

$(0,0)$ 处分母$=0$,需要用L'Hôpital或更细致的分析。

实际上用定义法:$z_x(0,0)=\lim_{h\to 0}\frac{z(h,0)-z(0,0)}{h}$。由 $he^{z(h,0)}=0$ 得 $z(h,0)$ 任意...需要重新审题。

考试策略:遇到 $F_z=0$ 的情况,换用"方程两边求偏导"而不是直接套公式。

【课后题精选】 $x^2+y^2+z^2=4z$ 确定 $z=z(x,y)$,求 $z_y$ 和 $z_{yy}$。
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$F=x^2+y^2+z^2-4z$。$F_y=2y$,$F_z=2z-4$。

$$z_y=-\frac{F_y}{F_z}=-\frac{2y}{2z-4}=\frac{y}{2-z}$$

再对 $y$ 求偏导:

$$z_{yy}=\frac{(2-z)\cdot 1-y\cdot(-z_y)}{(2-z)^2}=\frac{(2-z)+y\cdot\frac{y}{2-z}}{(2-z)^2}=\frac{(2-z)^2+y^2}{(2-z)^3}$$

注意:求 $z_{yy}$ 时,$z_y$ 中的 $z$ 仍然是 $y$ 的函数,不能当常数!必须对 $z$ 也用链式法则。

【课后题精选】 $z^5-xz^4+yz^3=1$ 在 $(x,y)=(0,0)$ 附近确定 $z$,求 $z_x(0,0)$,$z_y(0,0)$,$z_{xy}(0,0)$。
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先确定 $z(0,0)$:$z^5+0+0=1$,$z=1$。

$F=z^5-xz^4+yz^3-1$。$F_x=-z^4$,$F_y=z^3$,$F_z=5z^4-4xz^3+3yz^2$。

在 $(0,0,1)$:$F_x=-1$,$F_y=1$,$F_z=5$。

$$z_x=-\frac{F_x}{F_z}=\frac{1}{5},\quad z_y=-\frac{F_y}{F_z}=-\frac{1}{5}$$

求 $z_{xy}$:对 $5z^4z_x-z^4-4xz^3z_x+3yz^2z_x=0$(这是对 $F_x+F_zz_x=0$ 的展开)两边对 $y$ 求偏导...

最终 $z_{xy}(0,0)=-\frac{3}{25}$。

【2023-2024 填空8】 方程 $z=f(x+y,xz)$ 确定 $z=z(x,y)$,证明 $z_x+z_y=1$(在某些条件下)。
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令 $u=x+y$,$v=xz$。$z=f(u,v)$。

$z_x=f_u\cdot 1+f_v\cdot(z+xz_x)=f_u+f_v z+xf_v z_x$

$z_y=f_u\cdot 1+f_v\cdot xz_y=f_u+xf_v z_y$

$z_x-z_y=f_v z+xf_v z_x-xf_v z_y=f_v z+xf_v(z_x-z_y)$

$(1-xf_v)(z_x-z_y)=f_v z$... 具体结论取决于题目条件。

技巧:这种"$z$ 既在左边又在右边"的题,需要把 $z_x$ 的表达式中含 $z_x$ 的项移到一边解出。

【2020-2021 解答12】 $t^2-x^2-2yz=0$ 在 $(3,1,0)$ 附近确定 $z=z(x,y)$($t=3$),求 $z_x$,$z_{xy}$,$z_{yy}$。
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$F=9-x^2-2yz$($t=3$ 固定)。$F_x=-2x$,$F_y=-2z$,$F_z=-2y$。

在 $(3,1,0)$:$F_x=-6$,$F_y=0$,$F_z=-2$。

$z_x=-\frac{F_x}{F_z}=-\frac{-6}{-2}=-3$。$z_y=-\frac{F_y}{F_z}=0$。

求 $z_{xy}$:对 $-2x+(-2y)z_x=0$(即 $F_x+F_zz_x=0$ 展开)对 $y$ 求偏导:$-2z_x-2yz_{xy}=0$。

在 $(3,1,0)$:$-2(-3)-2(1)z_{xy}=0$,$z_{xy}=3$。

隐函数二阶偏导:对一阶等式再求一次偏导,别忘了 $z$ 是 $x,y$ 的函数!

【2022-2023 解答11】 设 $u=f(x,y,z)$,$z$ 由 $x^2+y^2+z^2=1$ 确定。已知 $f_1(1,1,z_0)$, $f_3(1,1,z_0)$,求 $u_x(1,1)$。
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$u$ 是 $x,y$ 的函数($z$ 由约束确定),链式法则+隐函数结合:

$$u_x=f_x+f_z\cdot z_x=f_1+f_3\cdot\left(-\frac{F_x}{F_z}\right)=f_1+f_3\cdot\left(-\frac{2x}{2z}\right)=f_1-\frac{x}{z}f_3$$

代入 $(1,1)$:$u_x=f_1(1,1,z_0)-\frac{1}{z_0}f_3(1,1,z_0)$。答案 $-\frac{7}{3}$。

链式法则+隐函数组合:$z$ 不是自变量而是由约束确定的中间变量!$u_x$ 必须通过 $z_x$ 传递。