一、多元函数的链式求导法则#
1. 中间变量为一元函数#

定理:
若 u=ϕ(t)、v=ψ(t) 在 t 处可导,且 z=f(u,v) 在 (u,v) 处偏导连续,则 z=f[ϕ(t),ψ(t)] 在 t 可导,且
dtdz=∂u∂f⋅dtdu+∂v∂f⋅dtdv
z=f(u,v,w),u=u(t),v=v(t),w=w(t) 在 t 处可导,偏导连续,有
dtdz=∂u∂f⋅dtdu+∂v∂f⋅dtdv+∂w∂f⋅dtdw2. 中间变量为多元函数#

若 z=f(u,v) 在 (u,v) 处偏导连续,且 u=ϕ(x,y)、v=ψ(x,y) 在 (x,y) 偏导存在,则 z=f[ϕ(x,y),ψ(x,y)] 在 (x,y) 偏导存在,且
∂x∂z=∂u∂f⋅∂x∂u+∂v∂f⋅∂x∂v∂y∂z=∂u∂f⋅∂y∂u+∂v∂f⋅∂y∂v
w=f(u),u=u(x,y,z),有
∂x∂w=dudf⋅∂x∂u∂y∂w=dudf⋅∂y∂u∂z∂w=dudf⋅∂z∂u3. 中间变量既有一元函数,又有二元函数#

z=f[ϕ(x,y),ψ(y)] 在 (x,y) 偏导存在,有
∂x∂z∂y∂z=∂u∂f⋅∂x∂u=∂u∂f⋅∂y∂u+∂v∂f⋅dydv4. 中间变量也是自变量#

若 u=ϕ(x,y) 在 (x,y) 偏导存在,且 z=f(u,x,y) 在 (u,x,y) 偏导连续,则 z=f[ϕ(x,y),x,y] 在 (x,y) 偏导存在
∂x∂z∂y∂z=∂u∂f⋅∂x∂y+∂x∂f⋅dxdx=∂u∂f⋅∂y∂u+∂y∂f⋅1
-
z=x2ey,x=2cost,y=t+sint,求 dtdz
解:
-
y=xx(x>0),求 dxdy
解:
-
z=f(u,v)=⎩⎨⎧u2+v2u2v0(u,v)=(0,0)(u,v)=(0,0),u=t,v=t,求 dxdz∣t=0
解:【本题不可使用链式法则,因为 f(u,v) 在 (0,0) 偏导不连续】
z=⎩⎨⎧t2+t2t3=2t0t=0t=0
∴z=2t,t∈R
dxdz∣t=0=21
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z=eucosv,u=2x−y,v=xy,求 ∂x∂z、∂y∂z
解:
-
z=f(x,u)=x2+u,u=cos(xy),求 ∂x∂z、∂x∂f
解:∂x∂z=∂u∂f⋅∂x∂u+∂x∂f⋅1=1⋅(−sinxy)⋅y+2x,∂x∂f=2x
-
z=f(u,v) 在 (u,v) 偏导连续,求 ∂x∂z、∂y∂z,其中 u=3x+2y,v=x2+y2
解:∂x∂z=∂u∂f⋅3+∂v∂f⋅2x=3f1′+2xf2′,∂y∂z=∂u∂f⋅2+∂v∂f⋅2y=2f1′+2yf2′
6-1 z=f(u,v) 在 (u,v) 二阶偏导也连续,求 ∂x2∂2z、∂y2∂2z、∂x∂y∂2z,其他同上
解:
∂x2∂2z=∂x∂(∂x∂z)=∂x∂(3f1′+2xf2′)=3∂x∂f1′+2(f2′+xf21′′)=3f11′′+2xf21′′
∂y2∂2z=∂y∂(∂y∂z)=∂y∂(2f1′+2yf2′)=2f12′′+2(f2′+yf22′′)=2f12′′+2yf22′′
∂x∂y∂2z=∂y∂(∂x∂z)=∂y∂(3f1′+2xf2′)=3f12′′+2xf22′′
-
z=f(exsiny),求 ∂x2∂2z、∂x∂y∂2z
解:
∂x∂z=dudf⋅∂x∂u=f′exsiny
∂y∂z=dudf⋅∂y∂u=f′excosy
∂x2∂2z=∂x∂(f′exsiny)=siny[(∂x∂f)′ex+f′ex]=siny(f′′exsiny⋅e2+f′ex)=siny(f′′e2xsiny+f′ex)
∂x∂y∂2z=∂y∂(f′exsiny)=ex[(∂y∂f)′siny+f′cosy]=ex(f′′cosysiny+f′cosy)
-
u=f(x,y) 二阶偏导连续,证明经过 x=ρcosθ、y=ρsinθ 变换后的方程满足如下关系:
- (∂x∂u)2+(∂y∂u)2=(∂ρ∂u)2+ρ21(∂θ∂u)2
- ∂x2∂2u+∂y2∂2y=∂ρ2∂2u+ρ1⋅∂ρ∂u+ρ21(∂θ2∂2u)
解:
∂ρ∂u=∂ρ∂f(ρcosθ,ρsinθ)=f1′cosθ+f2′sinθ
∂θ∂u=∂θ∂f(ρcosθ,ρsinθ)=−ρf1′sinθ+ρf2′cosθ
右边 =(f1′cosθ+f2′sinθ)2+ρ21(−ρf1′sinθ+ρf2′cosθ)=f1′2+f2′2= 左边,1式得证
∂ρ2∂2u=∂ρ∂(∂ρ∂u)=cosθ∂ρ∂f1′+sinθ∂ρ∂f2′=cosθ(f11′′cosθ+f12′′sinθ)+sinθ(f21′′cosθ+f22′′sinθ)=cos2θf11′′+sin2θf12′′+sin2θf12′′
∂θ2∂2u=∂θ∂(∂θ∂u)=∂θ∂(−ρf1′sinθ+ρf2′cosθ)=−ρ[∂θ∂(f1′sinθ)−∂θ∂(f2′cosθ)]=−ρ{∂θ∂f1′sinθ+f1′cosθ−[∂θ∂f2′cosθ+f2′(−sinθ)]}=−ρ[sinθ(−ρf11′′sinθ+ρf12′′cosθ)−cosθ(−ρf21′′sinθ+ρf22′′cosθ)]−ρ⋅∂ρ∂u=ρ2sin2θf11′′+ρ2cos2θf22′′−ρ2sin2θf12′′−ρ⋅∂ρ∂u
右边 =cos2θf11′′+sin2θf22′′+sin2θf12′′+ρ1(f1′cosθ+f2′sinθ)+ρ21(ρ2sin2θf11′′+ρ2cos2θf22′′−ρ2sin2θf12′′−ρ⋅∂ρ∂u)=f11′′+f12′′= 左边,2式得证
二、一阶全微分的形式不变性#
z=f(x,y)(x,y 为自变量),dz=∂x∂fdx+∂y∂fdy
x=ϕ(x,t),y=ψ(s,t)(x,y 为中间变量),
dz=∂s∂zds+∂t∂zdt=(∂x∂f⋅∂s∂ϕ+∂y∂f⋅∂s∂ψ)ds(或(∂x∂f⋅∂t∂ϕ+∂y∂f⋅∂s∂ψ)dt)=∂x∂fdx(∂s∂ϕds+∂t∂ψdt)+∂y∂fdy(∂s∂ϕds+∂t∂ψdt)
-
z=esin(xy),求 ∂x∂z、∂y∂z
解:
dz=d[esin(xy)]=esin(xy)dsin(xy)=esin(xy)cos(xy)d(xy)=esin(xy)cos(xy)(ydx+xdy)
∂x∂z=y⋅esin(xy)cos(xy)
∂y∂z=x⋅esin(xy)cos(xy)
-
u=f(x,y,z),y=ϕ(x,t),t=ψ(x,z),求 ∂x∂u、∂z∂u
解:
du=df(x,y,z)=f1′dx+f2′dy+f3′dz=f1′dx+f2′dϕ(x,t)+f3′dz=f1′dx+f2′d(ϕ1′dx+ϕ2′dt)+f3′dz=f1′dx+f2′[ϕ1′dx+ϕ2′(ψ1′dx+ψ2′dz)]+f3′dz=(f1′+f2′ϕ1′+f2′ϕ2′ψ1′)dx+(f3′+f2′ϕ2′ψ2′)dz
∂x∂u=f1′+f2′ϕ1′+f2′ϕ2′ψ1′
∂z∂u=f3′+f2′ϕ2′ψ2′