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第13章 多元函数微分学

基础部分

  1. ,则
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答案:

解析:

从而

在点 处,

因此

  1. 设函数可导,,则
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答案:

解析:

  1. 设函数可导,,则
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答案:

解析:

于是

因此

代回 即得结论。

  1. 设函数由方程确定,则
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答案:

解析:

时, 满足

显然 ,且函数 上严格递增,因此该解唯一。

由隐函数求导公式,

其中

处,

  1. ,则
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答案:

解析:

由莱布尼茨公式,

于是

  1. 设函数,则
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答案:

解析:

积分可得

其中 仅与 有关。

代入题设条件,得

因此在 上有

从而

故沿曲线

  1. 设函数具有二阶连续偏导数,且满足,则
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答案:

解析:

先对 分别积分,可写成

,于是

所以

  1. ,则
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答案:

解析:

,得

因此

于是

将自变量重新记为 ,得

  1. 设函数,求
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答案:

解析:

时,

时,,因此

时,

该式在 时无有限极限,所以偏导数不存在。

  1. 是某二元函数的全微分,则可取为() A. B. C. D.
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答案:

B。

解析:

为某函数的全微分,则必须满足

已知

因此应有

积分,得

选项 B 中

恰满足上述形式,故选 B。

  1. 可导,由方程所确定,其中函数连续,有连续导数,且,则
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答案:

解析:

将方程写成

分别对 求偏导,得

又因 ,所以

于是

  1. 具有二阶连续偏导数,且,则
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答案:

解析:

先对 求偏导:

再对 求偏导。注意

因此

因二阶偏导连续,,故

其中各偏导数均在 处取值。

  1. 设函数具有二阶连续偏导数,函数,求
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答案:

解析:

记欧拉算子

因为

都是零次齐次函数,所以

是二次齐次函数,故

再作用一次 ,有

另一方面,

因此

  1. 设函数,其中可导,且满足,求:(1)的表达式;(2)轴所围图形的面积及该图形绕轴旋转一周所得旋转体的体积
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答案:

(1)

(2)面积 ,体积

解析:

函数

是关于 的二次齐次函数,因此由欧拉公式,

题设给出

从而

函数在 处与 轴相交,并且

上,,因此所围面积为

利用

轴旋转所得体积为

  1. 已知函数满足,求的值使得在变换后,上述等式可化为函数的不含一阶偏导数的等式
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答案:

解析:

代入原方程并约去非零因子 ,得到

要使方程中不含一阶偏导数,应有

所以

此时零阶项系数也恰为 ,方程化为

  1. 设函数具有二阶连续偏导数,作变量代换,将方程化为以为自变量的方程
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答案:

解析:

得微分算子

因此

原方程左端正是

故变换后为

  1. 设函数由方程确定,且具有连续偏导数,求
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答案:

解析:

并令

,分别对 求偏导后,将第一式乘以 、第二式乘以 再相加,得到

整理为

在隐函数可确定且相应分母不为零的条件下,第二个因子不为零,因此

  1. 在有界闭区域上连续,在内有一阶偏导数,若的边界上的值均为0,且,则() A. 在内有正的最大值 B. 在内有负的最小值 C. 只在的边界上取到最大值 D. 在的边界上可以取到最小值
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答案:

D。

解析:

沿方向 作特征线

所以

由于区域 有界,从任一内点沿该直线延伸,所在连通线段的端点落在边界上,而边界上 ,故常数

因此

函数的最大值和最小值都为 ,且在边界上当然可以取到最小值,所以 D 正确。

  1. 在平面有界闭区域上具有二阶连续偏导数,且满足,则() A. 的最小值点和最大值点都在的内部 B. 的最小值点和最大值点都在的边界上 C. 的最小值点在的内部,最大值点在的边界上 D. 的最大值点在的内部,最小值点在的边界上
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答案:

B。

解析:

条件

说明 是调和函数。

非恒定调和函数在有界区域内部不能取得最大值或最小值,其最大值和最小值只能在边界上取得。

又因

不可能为常数函数。

因此最大值点和最小值点均在 的边界上,选 B。

  1. ,且为函数的两个驻点,则() A. 都是极大值 B. 都是极小值 C. 是极大值,是极小值 D. 是极小值,是极大值
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答案:

B。

解析:

二阶偏导数为

处均有

判别式

,故两个点均为极小值点。

因此选 B。

  1. 求函数的极值
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答案:

函数在 处取得极大值 ;无极小值。

解析:

一阶偏导数为

令其同时为零,得

故驻点为

二阶偏导数为

判别式

处,

故该点为极大值点,且

处,

故该点为鞍点。

所以函数只有极大值 ,无极小值。

  1. 求函数的极值
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答案:

函数在 处取得极小值

;无极大值。

解析:

展开得

一阶偏导数为

代入 ,得

故驻点为

二阶偏导数为

处,

,所以该点为极小值点。

其极小值为

附近,沿 ;沿

(当 充分接近 时),故 为鞍点。

因此无极大值。

  1. 满足,求:(1)的表达式;(2)的极值
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答案:

(1)

(2)在 处取得极小值 ,无极大值。

解析:

积分,注意

代入条件 ,有

因此

一阶偏导数为

驻点满足

故驻点为

二阶偏导数为

处,

故判别式为 ,该点为鞍点。

处,

所以该点为极小值点,极小值为

  1. 求曲线上的点到原点距离的最大值和最小值
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答案:

最大距离为 ,最小距离为

解析:

原曲线化为

再作正交变换

则约束条件为

到原点距离的平方为

由约束条件

其中

这是关于 的开口向上的二次函数。

其最小值在

处取得,

因此

最大值在端点处比较:

时,

时,

所以

强化部分

  1. 设函数,则() A. 存在,存在 B. 存在,不存在 C. 不存在,存在 D. 不存在,不存在
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答案:

C。

解析:

关于 的偏导数为

左右极限分别为 ,故该偏导数不存在。

关于 的偏导数为

因此 不存在,而 存在,选 C。

  1. 具有一阶偏导数,且对任意的都有,则() A. B. C. D.
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答案:

D。

解析:

可知,在 固定时, 关于 严格增加,因此

又由 可知,在 固定时, 关于 严格减少,因此从 减小到 时函数值增加,即

所以

选 D。

  1. 已知,则使得取得最小值的分别为() A. B. C. D.
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答案:

B。

解析:

变到 时, 变到

因此

极小点满足

解得

是关于 的严格凸二次函数,故该驻点即唯一最小值点,选 B。

  1. 在点处的某个邻域内有定义,,且,其中为常数,(1)讨论函数在点处的连续性;(2)当为何值时,函数在点处可微?并求
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答案:

(1)对任意有限常数 处连续;

(2)当且仅当 时, 处可微,且

解析:

题设极限等价于

因此

所以无论 取何有限值,函数均在原点连续。

在原点可微,则存在一次线性函数

使

于是沿单位方向

但题设给出该极限与方向无关,恒为

将方向改为相反方向,线性函数值变号,因此只能有

同时

故必要条件是

时,

这正说明 在原点可微且其全微分为零。

  1. 设函数的全微分,其中内具有二阶连续导数,且,求
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答案:

解析:

由于 是全微分,必须满足

所以

解得

积分得

所以

因此

  1. 已知内有二阶连续导数,且满足,求的表达式
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答案:

解析:

计算可得

由调和方程

因此

积分得

  1. 设函数连续,且,则
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答案:

解析:

题设分子按原文应理解为

有限极限说明

因此

且一阶增量为

所以

从而

  1. 设函数具有连续偏导数,,若,则
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答案:

解析:

处,

由题设全微分系数得到

两式相减得

进而

所以

  1. 设函数满足,则
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答案:

解析:

因此

将自变量重新记为 ,有

所以

  1. 设函数,则
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答案:

解析:

先对 求偏导。积分上限为 ,故

再对 求偏导:

处,

  1. 是由所确定的二元函数,则
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答案:

解析:

所以

求偏导:

时,由原方程得

因此

  1. 是由方程所确定的函数,则
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答案:

解析:

处,原方程给出

计算偏导数:

处,

  1. 已知是某二元函数的全微分,则() A. 1 B. -1 C. 2 D. -2
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答案:

A。

解析:

全微分条件要求

计算得

故必须有

选 A。

  1. 设函数由方程确定,则
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答案:

解析:

处,方程化为

对原方程求全微分:

因此

处,

  1. 是由方程确定的函数,计算
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答案:

解析:

处,方程变为

分别求偏导:

在原点有

再对第一式关于 求偏导:

所以

处,

  1. 均可微,,则() A. B. C. D.
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答案:

B。

解析:

记算子

因此

故选 B。

  1. 具有一阶连续偏导数,且由方程所确定,设题中出现的分母不为零,则() A. 0 B. C. D. 1
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答案:

B。

解析:

并记

对算子

根据题设“分母不为零”的隐函数条件,第二个因子不为零,因此

选 B。

  1. 是由方程所确定的函数,则
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答案:

解析:

时,

由隐函数二阶求导公式,

先求

处,

代入该点得

所以

  1. 已知方程的某个邻域中确定了一个隐函数,求
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答案:

解析:

所以

处,

又因

故二阶隐函数公式给出

在该点

  1. 存在二阶连续偏导数,是由方程确定的隐函数,求
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答案:

解析:

并记

求偏导,得

所以

同理

关于 求偏导。注意

于是

由商法则整理可得

各偏导数均在 处取值。

  1. ,其中由方程组确定,求
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答案:

按现有题干只能得到

不能确定通常题目所要求的唯一显式数值。

解析:

题干给出的两个方程均不含自变量

因此,若该方程组在某支上唯一确定 ,则 实际上均为常数,故

于是

时,

再由第二个方程可写为

但现有题干没有给出含 的隐式关系、初值或可直接解出的 ,所以无法得到常见标准答案中的唯一简单数值。原题很可能存在漏项,本文不擅自补写。

  1. 函数在约束条件下() A. 有最大值,无最小值 B. 无最大值,有最小值 C. 有最大值,有最小值 D. 无最大值,无最小值
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答案:

B。

解析:

由约束条件

可知

在约束曲线上,

所以 上严格增加。

时取得最小值

时,,故无最大值。

因此选 B。

  1. 有() A. 2个极小值点,1个极大值点 B. 1个极小值点,1个极大值点 C. 3个极小值点,无极大值点 D. 2个极小值点,无极大值点
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答案:

D。

解析:

一阶偏导数为

令其为零,两式相减得

所以

代回得到

故驻点为

处,Hessian 矩阵为

其顺序主子式均为正,故两个点都是极小值点。

在原点附近,沿

沿

因此原点为鞍点,不是极值点。

所以函数有两个极小值点,无极大值点,选 D。

  1. ,则点() A. 是的极小值点,也是的极小值点 B. 是的极小值点,不是的极小值点 C. 不是的极小值点,是的极小值点 D. 不是的极小值点,也不是的极小值点
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答案:

B。

解析:

先考察单变量函数

时,

由于

对任意正数 都成立,所以当 充分接近 时,两个括号的符号都与 相同,其乘积为正。

因此

的极小值点。

再考察二元函数。取

这些点可任意接近原点,所以原点不是二元函数的极小值点。

因此选 B。

  1. ,则点() A. 是的唯一极小值点,也是其最小值点 B. 是的唯一极大值点,也是其最大值点 C. 是的唯一极小值点,但不是其最小值点 D. 是的唯一极大值点,但不是其最大值点
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答案:

C。

解析:

一阶偏导数为

,有

,则 ,得

,则

因此唯一驻点是

在原点,Hessian 矩阵为

正定,所以原点是严格极小值点。

但当 时,。固定这样的 ,令 ,则

故函数没有全局最小值,原点只是唯一极小值点而不是最小值点。

所以选 C。

  1. 求由方程所确定的函数的极值,并指出是极大值还是极小值
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答案:

处, 为极小值;

处, 为极大值。

解析:

时,

极值点处需有

所以

代回约束方程,得

相应点分别为

在驻点处,由于 ,有

处,

故 Hessian 正定, 为极小值。

在另一点,

故 Hessian 负定, 为极大值。

  1. ,当满足何种条件时,有唯一的极大值,并说明理由
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答案:

,即

解析:

函数可写成

其中

要使 在全平面上有唯一极大值,二次型 必须正定。此时 严格凹,加入一次项后仍为严格凹函数,故存在唯一驻点并且该驻点是唯一全局极大值点。

二次型的矩阵为

它正定的充要条件是

因此条件为

  1. 在约束条件下的最大值与最小值
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答案:

解析:

约束条件化为

对于给定的 ,存在实数 满足这两个条件的充要条件是

所以

展开得

因此

这里 始终为正,所以

  1. 求曲线上距离平面最远和最近的点的坐标
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答案:

最近点为

最远点为

解析:

点到 平面的距离为

约束条件为

从而

所以最近点对应 ,最远点对应

当取到端点时,上述柯西不等式取等号,故

时,

时,

因此最近点为 ,最远点为

  1. 求函数在约束条件下的最值
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答案:

最大值 ,在 处取得;

最小值 ,在 处取得。

解析:

又由第二个约束,

所以

可行性要求

在该区间内, 单调减少。

时,

时,

  1. 求曲线上的一点,使该点处的切线与轴,轴在第一象限所围的图形的面积最小
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答案:

,最小面积为

解析:

设切点为

曲线的切线方程为

利用约束

可化为

其在两坐标轴上的截距分别为

在第一象限围成三角形,需有 ,其面积为

由约束

因此要使面积最小,只需使 最大。

等号当且仅当

因此

此时切线为

面积为

  1. 设曲线内切于曲线,求的值,使所围面积最小
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答案:

解析:

是圆

设圆与椭圆在非轴端点 处相切。圆上有

其中

两曲线相切时法向量平行:

时,

并有

将切点代入椭圆方程:

利用 以及上式,得

所以

其中

椭圆面积为

故只需最小化

求导:

令其为零,得

所以

于是

  1. 具有二阶连续偏导数,且满足,求:(1)的表达式;(2)的极值
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答案:

(1)

(2) 处取得极大值 ,无极小值。

解析:

积分可写为

利用

可将其写成

其中

再代入

所以

一阶偏导数为

驻点为

处,Hessian 为

负定,故为极大值点,且

处,Hessian 行列式为负,故均为鞍点。

又当 固定且 时,,故无极小值。

  1. 设函数具有二阶连续偏导数,且满足,求在约束条件下的最大值与最小值
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答案:

最大值为 ,在 处取得;

最小值为 ,在 处取得。

解析:

积分两次,得

约束化为

对应二次型矩阵为

其特征值为

在半径为 的圆上,二次型最小值和最大值分别为

最大值对应 ,最小值对应 ,代回即得相应点。

  1. ,且,(1)当时,求的最大值;(2)当为变量)时,是否有最大值,若有,求出最大值,若没有,说明理由
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答案:

(1)最大值为

(2)对任意实数 最大值都存在,且

解析:

固定 后,

等号可在

处取得。

因此原问题化为在 上求

的最大值。

时,

比较 ,得最大值

它在

处取得。

对一般的

外的内部驻点 若存在,其二阶导数为正,故是极小值点,不会产生最大值。

因此最大值只需比较

又约束集合是闭且有界的半球面, 连续,所以对任意 最大值均存在。

  1. ,求函数在区域上的最大值与最小值
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答案:

最大值为 ,在 处取得;

最小值为 ,在 处取得。

解析:

区域内部的驻点满足

在第一象限内得

且该点位于区域内部。

考察三条边界。

时,

其候选点为 ,函数值分别为

时同理,候选值也是

时,令 ,则

其最小值在 处,为

;端点值均为

比较所有候选值,得最大值 ,最小值

  1. ,求其在平面区域上的取值范围
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答案:

其中最小值 处取得,最大值 处取得。

解析:

展开函数:

区域内部驻点满足

解得在区域内部的驻点为

其函数值为

下面考察边界。

上,

候选点为 ,函数值中最小者为

,最大者为

上,

候选点为 ,相应主要值为

上,

候选点为 ,函数值为

比较内部与所有边界候选值,得到

因此取值范围为

  1. 设函数在区域上连续,在区域的内部有二阶连续偏导数,且满足,在区域的边界,证明:当时,
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答案:

结论成立,即在整个区域 上均有

解析:

采用反证法。

假设区域内部存在点使 。由于 为有界闭区域且 连续, 上可取得最小值。

边界上 ,所以若存在负值,则负的最小值必在区域内部某点 处取得。

在内部最小值点,有

因此

但由微分方程,

由于 ,故

这与左端不大于 矛盾。

所以区域内部不可能出现负值,从而整个 上均有

  1. 已知可微函数满足,且,记,(1)计算;(2)求在有界闭区域上的最值
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答案:

(1)

(2)最大值为 ,在 处取得;最小值为 ,在 处取得。

解析:

链式法则给出

时,题设偏微分方程给出

积分:

时,,即 ,故

代入上式得

所以

因此

,得到

故在通常变量记号下,

区域内部驻点满足

得到 ,其函数值分别为

在边界 上,

由于 ,该式随 严格减少。

所以边界最大值在 处取得:

边界最小值在 处取得:

比较内部驻点,最终最大值为 ,最小值为

  1. 具有二阶连续偏导数,且满足,(1)证明;(2)求的表达式
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答案:

(1)

(2)

解析:

作变量代换

计算得

所以

另一方面,

因此原方程化为

下面求解。令

所以

积分可写为

,则

再令

题设给出

因此

所以 ,即

将其与一般式结合,常数项相消,最终得到