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第八章 多元函数微分学

选择题​

  1. 下列函数在点 处不连续的是

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案: C

解析: 判断二元函数在原点的连续性,需要考察

是否等于 。

对于(A),由

可得

故在原点连续。

对于(B),令 ,则 ,从而

故在原点连续。

对于(C),沿路径 趋于原点时,

其极限不等于 ,故函数在原点不连续。

对于(D),

故在原点连续。


  1. 设

则 在点 处

A. 可微;    B. 偏导数存在,但不可微;
C. 连续,但偏导数不存在;    D. 偏导数存在,但不连续。
查看答案与解析

答案: B

解析: 首先考察连续性。由基本不等式

可得

因此

函数在原点连续。

再计算原点处的偏导数:

故两个偏导数均存在。

若函数在原点可微,由于两个偏导数均为零,应有

但沿路径 有

其极限不为零,因此函数在原点不可微。

(A)错误,因为不满足可微的增量条件;(C)错误,因为两个偏导数均存在;(D)不是本题所考察的准确结论,且偏导函数在坐标轴上的一些非原点处甚至不存在。


  1. 设

则 在点 处

A. 偏导数存在且连续;    B. 偏导数不存在,但连续;
C. 偏导数存在,可微;    D. 偏导数存在,但不可微。
查看答案与解析

答案: C

解析: 记

当 时,

由

知函数在原点连续。

原点处的两个偏导数为

同理

进一步,若以

作为线性主部,则

所以 在原点可微。

(A)错误。虽然原点处偏导数存在,但偏导函数在原点附近发生振荡,并不连续。例如在 时, 含有振荡项 。因此正确选项为(C)。


  1. 设

其中 在点 处连续且 ,则 在点 处

A. 连续,但偏导数不存在;    B. 不连续,但偏导数存在;    C. 可微;    D. 不可微。
查看答案与解析

答案: C

解析: 由于 在原点连续且 ,故

又

所以

从而

这说明

故函数在原点可微,且其全微分为零。

也可直接验证

因此(A)、(B)、(D)均错误,正确答案为(C)。


  1. 在下列二元函数中, 的二元函数是

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案: C

解析: 对于(A)、(B),函数在原点邻域内具有连续的二阶偏导数,由混合偏导数交换定理必有

重点考察(C)。先求 。当 时,

当 时,显然 。因此

同理,当 时,

故

所以

对于(D),多出的一个因子 使相应的一阶偏导沿坐标轴至少为二阶小量,最终两个混合偏导数均为零。因此正确选项为(C)。


  1. 设 在 取极大值,且

则

A.

B.

C.

D.

查看答案与解析

答案: C

解析: 设 。固定 ,定义一元函数

由于 在 取得极大值,所以 在 处取得极大值。若 存在,则一元函数极值的二阶必要条件给出

同理,固定 ,令

则 在 处取得极大值,从而

注意这里只能推出非正,不能保证严格小于零。例如函数

在原点取得极大值,但

因此(B)错误,正确答案为(C)。


  1. 设 在 邻域存在偏导数

且偏导数在点 处不连续,则下列结论中正确的是

A. 在点 处可微且

B. 在点 处不可微;

C. 在点 沿任意方向存在方向导数;

D. 曲线

在点 处的切线的方向向量是

查看答案与解析

答案: D

解析: 偏导数在一点不连续,并不能据此断定函数在该点是否可微。偏导数连续是可微的充分条件,而不是必要条件。因此(A)与(B)均不能必然成立。

仅有两个坐标方向的偏导数存在,也不能保证任意方向的方向导数都存在,所以(C)不一定成立。

对于(D),令 ,曲线可参数化为

由于 存在,故曲线在相应点的切向量为

因此(D)必然正确。


  1. 设 ,,则曲面

上点

处的法线与 轴的关系是

A. 平行;    B. 异面直线;    C. 垂直相交;    D. 不垂直相交。
查看答案与解析

答案: D

解析: 令

曲面可写成 。在点 处,记

则曲面的一个法向量为

因此法线的参数方程可写为

由于 ,取

便有 。故该法线与 轴相交。

另一方面, 轴的方向向量为 ,而

所以两直线不垂直。它们也不平行,因为法向量的前两个分量不可能同时为零:若同时为零,则由 可推出 ,与条件矛盾。

因此法线与 轴不垂直相交,选择(D)。

填空题​

  1. 设

其中 是二元连续函数,则 。

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答案:

解析: 把积分上限和被积函数中的参数分别求偏导。由变上限积分求导公式,

对 求偏导时,积分区间不变,故在允许积分号下求导的条件下,

因此

严格来说,题面只给出 连续,还不足以保证上述关于 的偏导存在。按本题通常意图,应补充 存在且连续,或满足可在积分号下求导的相应条件。


  1. 设 满足方程

且 ,则

查看答案与解析
答案:

解析: 对隐函数方程两边求全微分,得

于是

在点 处,

故


  1. 设

其中 可微,则

查看答案与解析
答案:

解析: 令

则

由链式法则,

而

因此


  1. 设 有连续偏导数,满足

则 。

查看答案与解析
答案:

解析: 逐层定义复合函数:

由 ,有

首先,

其次,

最后,


  1. 设

都是由方程 所确定的隐函数,并且 满足隐函数存在定理的条件,则

查看答案与解析
答案:

解析: 由隐函数求导公式,分别有

三式相乘,得


  1. 函数

在点

处沿曲线

在该点的内法线方向 的方向导数为 。

查看答案与解析
答案:

解析: 令

椭圆 的外法线方向为 ,故内法线方向为 。而

所以

在点

处,

该向量恰沿内法线方向,因此内法线方向的单位向量为

故方向导数为


  1. 过曲面

上点 处的切平面方程为 。

查看答案与解析
答案:

解析: 令

曲面由 表示,其法向量为

在点 处,

因此切平面方程为

化简得


  1. 过曲面

上点 处的切平面平行于

则 点的坐标为 。

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答案:

解析: 将曲面写成

在点 处,切平面的法向量为

已知切平面平行于平面

后者的法向量为 。故存在常数 ,使

比较第三个分量得 ,从而

代入曲面方程,

因此


  1. 曲线

在 处的切线方程为 ,法平面方程为 。

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答案:

或写成参数式

法平面方程为

解析: 令

两曲面的法向量分别为

在 处,

交线的切向量可取两法向量的叉积:

因此切线方程为

法平面垂直于切线,所以其法向量可取切向量 。过点 的法平面为

即

计算题与证明题​

  1. 设 满足

求 。

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答案:

解析: 由

对 积分一次,得

其中 是只与 有关的函数。

再对 积分,得

其中 也是只与 有关的函数。

由条件

可得

又由

可得

故

因此

检验可知

故结果满足全部条件。


  1. 设

求

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答案:

解析: 先观察函数的齐次性。对任意 ,有

因此 是一次齐次函数。

由欧拉齐次函数定理,

对上式关于 求偏导,得到

即

由于二阶偏导数连续时

所以

故


  1. 设 由方程

确定,其中 可微, 连续,且 ,求

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答案:

解析: 将原方程写成

对 求偏导。由变上限定积分求导公式,

故

于是

即

再对 求偏导。由于

所以

于是

即

因此

条件 保证上述分母不为零。


  1. 设函数 有连续二阶偏导数,满足

又满足下列条件:

(即 ),求

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答案:

解析: 由

对 求导,利用复合函数求导法则,得

已知

对该式关于 求导,得

再对式 关于 求导,得

由于二阶偏导数连续,故

于是

以上各二阶偏导数均在点 处取值。

由偏微分方程

可得

将式 代入式 ,得

联立式 、:

解得

再由 ,得

故


  1. 设

且 具有二阶连续偏导数,求

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答案:

解析: 先对 求偏导。对于第一项,

对于第二项,

因此

再对 求偏导,得

所以


  1. 设

求 及

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答案: 令

则

且

其中各阶偏导数均在

处取值。

解析: 令

则

由全微分的链式法则,

又

代入得

下面计算混合偏导数。先对 求偏导:

再对 求偏导。注意

因此

这里使用了二阶偏导连续时


  1. 已知函数

及方程

(Ⅰ)如果 是由方程 确定的隐函数,满足 ,又

求

(Ⅱ)如果 是由方程 确定的隐函数,满足 ,又

求

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

解析: 将方程写成

于是

在点 处,

故相应隐函数存在。

(Ⅰ)当 时,对方程 关于 求偏导:

因此

又

所以

在 处,

(Ⅱ)当 时,对方程 关于 求偏导:

因此

又

故

在 处,


  1. 设

其中 具有二阶连续偏导数, 由方程

确定,求

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答案:

其中 的各偏导数均在 处取值。

解析: 令

对 求偏导,得

整理得

所以

再对 求偏导:

由于

对 求偏导,得

代入 ,有

继续对 求偏导:

因 有二阶连续偏导数,

故

代入 ,即得


  1. 设 ,且方程 确定了函数 ,求
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答案:

其中各偏导数均在相应的 处取值,并假定

解析: 沿着由题设关系确定的曲线,,同时

由

对 求全导数,得

另一方面,由

对 求全导数,得

因此

将式 代入式 ,得

移项整理:

所以


  1. 若可微函数 在极坐标系下只是 的函数,求证:
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答案:

解析: 在极坐标下,

题设说明 只是 的函数,即存在一元函数 ,使

因此,当 固定而改变 时, 不发生变化,故

另一方面,由复合函数求导法则,

所以

当 时,两边乘以 ,并利用

得到

几何上,这说明函数值沿每一条从原点出发的射线保持不变,因此梯度方向与径向向量 正交。


  1. 作自变量与因变量变换:

变换方程

为 关于 的偏导数满足的方程,其中 对 有连续的二阶偏导数。

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答案: 变换后的方程为

解析: 由

可得

因此微分算子满足

于是

原方程左端可以写成

故

又由

得

由于

所以

因此

对 求两次偏导:

原方程等价于

即

整理得


  1. 设 有连续的一阶偏导数且满足条件

其中 有连续的偏导数且

求证:

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答案:

解析: 由恒等关系

分别对 求偏导,得到

题设给出

所以 不会同时为零。

若 ,由式 得

于是

若 ,则必有 。由式 可得

从而同样有

因此

从几何上看, 与 都垂直于非零向量 ,因而二者线性相关,所以其行列式为零。


  1. 设 满足

又

由 可解出 。求:

(Ⅰ)

(Ⅱ)。

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答案: (Ⅰ)

(Ⅱ)

其中 为由原函数确定的关于 的函数。

解析: 由

把 看作常数,并将 看作 的函数。对 求导:

由于 ,所以

再对 求导。注意此处为沿隐函数 的全导数:

展开得

因二阶偏导连续,,故

代入式 :

题设给出的偏微分方程正好说明分子为零,因此

对每一个固定的 ,函数 关于 的二阶导数为零,所以它关于 是一次函数,即

将两个关于 的函数分别记为 ,得到


  1. 设

(Ⅰ)求 的驻点;

(Ⅱ)求 的全部极值点,并指明是极大值点还是极小值点。

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答案: (Ⅰ)驻点为

(Ⅱ)

点 不是极值点,函数无极大值点。

解析: 先求一阶偏导数:

驻点满足

由第二式

代入第一式:

所以

相应地

故驻点为

再求二阶偏导数:

记

在点 处,

因此

所以 是极小值点。其极小值为

在点 处,

二阶判别法失效,需要直接考察函数值符号。

沿曲线 ,有

当 充分接近 且 时,

沿曲线 ,有

对充分小的非零 成立。

因此在 的任意邻域内,函数既有正值又有负值,而

所以 不是极值点,而是鞍点。


  1. 求

在区域

上的最大值与最小值。

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答案: 最大值为

在点

处取得。

最小值为

在点

处取得。

解析: 区域

是闭有界区域,而函数

连续,所以最大值与最小值一定存在。

由于

区域内部不存在驻点,因此极值只能在边界

上取得。

使用拉格朗日乘数法。令

由

得到

由前两式可得

代入约束条件:

即

所以

当 时,

此时

当 时,

此时

故


  1. 设函数

证明:函数 有无穷多个极大值点,而无极小值点。

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答案: 函数的全部驻点为

其中

均为极大值点,极大值均为

点

均为鞍点。因此函数有无穷多个极大值点,而没有极小值点。

解析: 先求一阶偏导数:

由于

驻点必须满足

由第一式得

当 为偶数时,,从而

当 为奇数时,,从而

故全部驻点为

再求二阶偏导数:

在点 处,

所以

于是

根据二元函数极值判别法, 均为极大值点,并且

在点 处,

从而

故

这些点均为鞍点。

由于可微函数的局部极值点必为驻点,而全部驻点只有上述两类,其中一类为极大值点,另一类为鞍点,所以函数没有极小值点。


  1. 设函数 具有二阶连续偏导数,函数 连续可导,且 在 处取得极值,。求复合函数

的二阶混合偏导数

在点 处的值。

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答案:

解析: 令

则

因为 在 处取得极值且可导,所以由费马定理

先对 求偏导:

由于

所以

再对 求偏导。注意

因此

在点 处,

并且

代入上式可得

由于 具有二阶连续偏导数,故

从而结果成立。


  1. 设 在点 的某邻域具有二阶连续偏导数,且 ,证明由方程

在 的某邻域所确定的隐函数 在 处取得极值 的必要条件是

且当 时, 是极大值;当 时, 是极小值,其中

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答案: 隐函数 在 处取得极值的必要条件为

并且

因此:

当

时,

故 为极大值;

当

时,

故 为极小值。

解析: 因为 ,由隐函数存在定理,在 的某邻域内,方程

可以唯一确定一个具有二阶连续导数的隐函数

由隐函数关系

可知在 处必有

对恒等式 关于 求导:

所以

若 在 处取得极值,则由费马定理

又因

故

这就证明了必要条件

再对

关于 求导,得

在 处,,所以

因此

若 ,则

由一元函数极值的二阶充分条件, 是极大值。

若 ,则

故 是极小值。


  1. 建一容积为 的无盖长方体水池,问其长、宽、高为何值时有最小的表面积。
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答案: 设水池的长、宽、高分别为 ,则表面积最小时

即水池底面应为正方形,且

最小表面积为

解析: 设无盖长方体水池的长、宽、高分别为

容积条件为

无盖水池的表面积为

由约束条件

所以

利用算术—几何平均不等式,

等号成立的条件是

由后两项相等可得

再由

得

所以

此时

并且

即

因此上述尺寸使表面积取得全局最小值。


  1. 已知三角形的周长为 ,将它绕其一边旋转而构成一立体,求使立体体积最大的那个三角形。
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答案: 当作为旋转轴的边长为

其余两边均为

时,旋转体体积最大。

因此所求三角形是边长为

的等腰三角形,其中底边 为旋转轴。

最大体积为

解析: 设三角形的三边长分别为 ,其中以边 为旋转轴,边 上的高为 。由三角形绕其一边旋转所得立体的体积公式,

设三角形面积为 ,则

因此

三角形的半周长为 ,由海伦公式

令

由

可得

又

于是

令

对于固定的 ,由

等号当且仅当 时成立。因此

又因为

等号当且仅当

时成立,所以

要同时取等号,必须有

于是

故体积最大时,三角形为以 为底边的等腰三角形,两腰均为 ,最大体积为


  1. 证明条件极值点的必要条件(8.9)式,并说明(8.9)式的几何意义。
查看答案与解析

答案: 设目标函数为

约束条件为

若点 是约束曲线上的条件极值点,且

不全为零,则存在常数 ,使得

等价地,

解析: 设

是函数 在约束条件

下的条件极值点。

由于

不全为零,不妨设

根据隐函数存在定理,在点 的某邻域内,约束方程可确定一个可微函数

且

将目标函数限制在约束曲线上,令

因为 是条件极值点,所以一元函数 在 处取得极值。由费马定理,

根据复合函数求导法则,

故在点 处,

即

这说明两个向量

线性相关。

由于 ,必存在常数 ,使得

因此

这就是条件极值点的必要条件,即拉格朗日乘数方程。

几何意义:

约束曲线

在点 处的法向量为

目标函数的等值线

在该点的法向量为

条件极值点处二者的梯度平行,因而两条曲线在该点具有相同的切线,即目标函数的等值线与约束曲线相切。也就是说,沿约束曲线允许的切向方向移动时,目标函数的一阶变化率为零。


  1. 求函数

在 处沿与各坐标轴成等角方向的方向导数。

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答案: 取与三个坐标轴正向成等角的单位向量

则所求方向导数为

解析: 函数

的梯度为

在点

处,

与三个坐标轴正向成等角的方向,其方向余弦相等。设单位方向向量为

则

且

所以

即

方向导数为梯度与单位方向向量的内积:

因此

说明:若题目仅说“与各坐标轴成等角”,而未规定与各坐标轴正向成锐角,则还可能有分量绝对值均为 的其他方向;教材通常约定取第一卦限方向 。


  1. 求椭球面

上具有下列性质的点 的轨迹:过 的切平面与 平面垂直。

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答案: 所求轨迹为

它是椭球面与平面 的交线。

解析: 令

椭球面为

在点 处,曲面的法向量为

因此该点处切平面的一个法向量可取

平面 的法向量为

两个平面互相垂直,当且仅当它们的法向量互相垂直。因此应有

即

所以

将其代入椭球面方程:

从而

故所求点的轨迹为

也可写成参数形式


  1. 过球面

上点 分别作垂直于 轴与 轴的平面,求过这两平面与球面的截线的公共点的两截线的切线方程,并求通过这两条切线的平面方程。

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答案: 垂直于 轴的平面为

其与球面的截线在点 处的切线为

垂直于 轴的平面为

其与球面的截线在点 处的切线为

通过这两条切线的平面方程为

解析: 先验证点 在球面上:

(1)平面 内截线的切线​

垂直于 轴且过点 的平面为

球面在点 处的法向量为

平面 的法向量为

截线在点 处的切线同时位于球面切平面与平面 内,因此其方向向量应同时垂直于 和 。可取

化简得

故第一条切线为

即

(2)平面 内截线的切线​

垂直于 轴且过点 的平面为

其法向量为

第二条切线的方向向量可取

化简得

故第二条切线为

即

(3)求通过两条切线的平面​

两条直线相交于点 ,其方向向量分别为

所求平面的法向量为

因此过点 的平面方程为

整理得

这正是球面在点 处的切平面,因为两条截线的切线均位于球面的切平面内。


  1. 设 ,在椭球面

的第一卦限部分求一点,使得该点处的切平面与三个坐标面所围成的四面体的体积最小。

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答案: 所求点为

此时切平面与三个坐标轴的截距分别为

所围四面体的最小体积为

解析: 设椭球面第一卦限上的点为

满足

椭球面在点 处的切平面方程为

令 ,得到切平面在 轴上的截距

类似地,在 轴上的截距分别为

因此切平面与三个坐标面所围成的四面体体积为

所以,使 最小等价于在约束条件下使乘积

最大。

令

则

并且

由算术—几何平均不等式,

因为

故

从而

等号成立当且仅当

由于点在第一卦限,所以

因此

此时三个截距为

故最小体积为

所以所求点及最小体积分别为


  1. 若函数 对任意正实数 ,满足

称 为 次齐次函数。设 是可微函数,证明: 为 次齐次函数

查看答案与解析
答案:

解析: 下面分别证明必要性与充分性。

(1)必要性​

设 是 次齐次函数,即对任意 ,有

固定 ,将上式两端看作关于 的函数并求导。由复合函数求导法则,左端为

右端为

因此

令 ,得到

故必要性成立。

(2)充分性​

反之,设可微函数 满足

固定任意点 ,定义

由链式法则,

将已知等式应用于点 ,有

两边除以 ,得

因此

即

为了避免对 的符号作额外假设,直接考察

有

故 在 上为常数。取 ,得到

于是

由 ,可得

因此 是 次齐次函数,充分性成立。

综上,


  1. 方程

确定连续曲线,证明:在原点某邻域可用 的方程表示。

查看答案与解析

答案: 在原点 的某邻域内,原方程能够唯一确定一个连续可微函数

且

解析: 令

显然, 在原点的某邻域内具有连续偏导数,因此 。

先验证原点位于该曲线上:

再计算 关于 的偏导数:

在原点处,

因此,函数 在点 满足隐函数存在定理的条件。由隐函数存在定理可知:存在原点的某个邻域以及 的某个邻域,使得方程

在该邻域内能够唯一确定一个连续可微函数

也就是说,原方程所确定的连续曲线在原点附近可以表示成函数图形

进一步地,由隐函数求导公式,

其中

故

特别地,

这也说明该隐函数在原点处具有水平切线,但本题证明函数表示只需验证

即可。