第13章 多元函数微分学
基础部分
- 设,则
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答案:
。
解析:
令
,
则
,
从而
。
又
。
在点 处,
,
,
。
因此
。
- 设函数可导,,则
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答案:
。
解析:
令
。
则
,
。
故
。
- 设函数可导,,则
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答案:
。
解析:
令
。
则
,
。
于是
,
。
因此
。
代回 即得结论。
- 设函数由方程确定,则
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答案:
。
解析:
令
。
在 时, 满足
。
显然 ,且函数 在 上严格递增,因此该解唯一。
由隐函数求导公式,
。
其中
,
。
在 处,
,
。
故
。
- 设,则
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答案:
。
解析:
令
,
,
则 。
由莱布尼茨公式,
,
。
于是
,
。
故
。
- 设函数,,则
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答案:
。
解析:
由
,
对 积分可得
,
其中 仅与 有关。
将 代入题设条件,得
,
即
。
因此在 上有
,
从而
。
故沿曲线 ,
。
- 设函数具有二阶连续偏导数,且满足,,,则
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答案:
。
解析:
由
,
先对 、 分别积分,可写成
。
由
,
。
又
,
故 ,于是
。
所以
。
- 设,则
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答案:
。
解析:
令
,
。
由 与 ,得
,
。
因此
。
于是
。
将自变量重新记为 ,得
。
- 设函数,求
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答案:
解析:
当 时,
。
又
,
故
。
当 时,,因此
。
当 且 时,
。
该式在 时无有限极限,所以偏导数不存在。
- 设,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:
若
为某函数的全微分,则必须满足
。
已知
,
故
。
因此应有
。
对 积分,得
。
选项 B 中
,
恰满足上述形式,故选 B。
- 设可导,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
。
- 设具有二阶连续偏导数,且,则
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答案:
。
解析:
令
,
,
则 。
先对 求偏导:
。
再对 求偏导。注意
,
。
因此
。
因二阶偏导连续,,故
,
即
。
其中各偏导数均在 处取值。
- 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
与
都是零次齐次函数,所以
。
而 是二次齐次函数,故
。
再作用一次 ,有
。
另一方面,
。
因此
。
- 设函数,其中可导,且满足,求:(1)的表达式;(2)与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
。
令
,
则
,
从而
。
故
。
函数在 处与 轴相交,并且
。
在 上,,因此所围面积为
。
利用
,
得
。
绕 轴旋转所得体积为
。
又
,
故
。
- 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:
令
。
则
,
;
,
。
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
。
- 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:
由
,
,
得微分算子
,
。
因此
。
原方程左端正是
,
故变换后为
。
- 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:
记
,
,
并令
。
由 ,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
。
故
。
- 设在有界闭区域上连续,在内有一阶偏导数,若在的边界上的值均为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
,
。
记
,
则
。
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。
- 设在平面有界闭区域上具有二阶连续偏导数,且满足与,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
,
故 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。
- 设,且与为函数的两个驻点,则() A. 与都是极大值 B. 与都是极小值 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
,
,
。
在 与 处均有
,
,
。
判别式
,
且 ,故两个点均为极小值点。
因此选 B。
- 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
。
在 处,
,
,
故该点为极大值点,且
。
在 处,
,
故该点为鞍点。
所以函数只有极大值 ,无极小值。
- 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
,
。
由 得
。
代入 ,得
,
故驻点为
,
。
二阶偏导数为
,
,
。
在 处,
,
,
,
故
,
且 ,所以该点为极小值点。
其极小值为
。
在 附近,沿 有 ;沿 有
(当 充分接近 且 时),故 为鞍点。
因此无极大值。
- 设满足,,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:
由
,
对 积分,注意
,
得
。
代入条件 ,有
,
故
。
因此
。
一阶偏导数为
,
。
驻点满足
,
,
故驻点为
,
。
二阶偏导数为
,
,
。
在 处,
,
,
故判别式为 ,该点为鞍点。
在 处,
,
,
所以该点为极小值点,极小值为
。
- 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:
令
,
。
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
,
即
。
由约束条件
,
故
,
其中
。
这是关于 的开口向上的二次函数。
其最小值在
,
即 处取得,
。
因此
。
最大值在端点处比较:
当 时,
;
当 时,
。
所以
。
强化部分
- 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 和 ,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。
- 设具有一阶偏导数,且对任意的都有,,则() A. B. C. D.
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答案:
D。
解析:
由 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。
- 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:
令
,
则
,
当 从 变到 时, 从 变到 。
因此
。
极小点满足
,
。
即
,
。
解得
,
。
又 是关于 的严格凸二次函数,故该驻点即唯一最小值点,选 B。
- 若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 , 在 处连续;
(2)当且仅当 时, 在 处可微,且
。
解析:
记
。
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。
若 在原点可微,则存在一次线性函数
,
使
。
于是沿单位方向 有
。
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 。
当 时,
,
这正说明 在原点可微且其全微分为零。
- 设函数的全微分,其中在内具有二阶连续导数,且,,求
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答案:
。
解析:
记
,
。
由于 是全微分,必须满足
。
即
。
所以
。
令
,
则
。
解得
。
由 得
,
故
。
积分得
。
由 得
,
所以
。
因此
。
- 已知在内有二阶连续导数,且满足,求的表达式
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答案:
。
解析:
令
,
则
。
计算可得
,
。
由调和方程
,
得
。
即
。
因此
,
。
积分得
。
- 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
。
- 设函数具有连续偏导数,,若,则
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答案:
。
解析:
令
,
。
则
,
。
在 处,
。
由题设全微分系数得到
,
。
两式相减得
,
进而
。
所以
。
- 设函数满足,则
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答案:
。
解析:
令
,
。
则
,
。
因此
。
故
。
将自变量重新记为 ,有
。
所以
。
- 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:
,
即
。
在 处,
。
- 设是由所确定的二元函数,则
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答案:
。
解析:
由
,
得
,
。
所以
。
对 求偏导:
。
又
,
故
。
当 时,由原方程得
。
因此
。
- 设是由方程所确定的函数,则
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答案:
。
解析:
令
。
在 处,原方程给出
,
故 。
计算偏导数:
,
,
。
在 处,
,
,
。
由
,
得
。
- 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:
记
,
。
全微分条件要求
。
计算得
,
。
故必须有
,
选 A。
- 设函数由方程确定,则
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答案:
。
解析:
在 处,方程化为
,
故 。
对原方程求全微分:
。
因此
。
在 处,
。
- 设是由方程确定的函数,计算
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答案:
。
解析:
在 处,方程变为
,
故 。
对 分别求偏导:
,
。
在原点有
,
。
再对第一式关于 求偏导:
。
所以
。
在 处,
。
- 设与均可微,,则() A. B. C. D.
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答案:
B。
解析:
令
,
。
记算子
。
则
。
又
。
因此
。
故选 B。
- 设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:
令
,
,
并记
。
对算子
,
有
,
。
由 得
,
即
。
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
。
故
,
选 B。
- 设是由方程所确定的函数,则
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答案:
。
解析:
令
。
在 时,
,
故 。
由隐函数二阶求导公式,
。
先求
。
在 处,
。
又
,
,
,
。
代入该点得
。
所以
。
- 已知方程在的某个邻域中确定了一个隐函数,求
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答案:
。
解析:
令
。
有
,
,
。
所以
,
。
在 处,
,
,
。
又因
,
,
故二阶隐函数公式给出
。
在该点
。
- 设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:
令
,
,
并记
。
由
,
对 求偏导,得
,
所以
。
同理
。
对 关于 求偏导。注意
,
。
于是
,
。
由商法则整理可得
。
即
。
各偏导数均在 处取值。
- 设,其中和由方程组确定,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
。
在 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。
- 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,
。
令
。
则
。
所以 在 上严格增加。
当 时取得最小值
;
当 时,,故无最大值。
因此选 B。
- 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
,
,
。
在 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 有
;
沿 有
。
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。
- ,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 。
当 时,
。
由于
对任意正数 都成立,所以当 充分接近 且 时,两个括号的符号都与 相同,其乘积为正。
因此
,
故 是 的极小值点。
再考察二元函数。取
,
则
,
,
且 。
故
。
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。
- 设,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
,
。
由 ,有 或 。
若 ,则 ,得 。
若 ,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。
- 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:
在 处, 为极小值;
在 处, 为极大值。
解析:
令
。
在 时,
,
。
极值点处需有
,
。
所以
,
。
代回约束方程,得
,
即
。
故
或 。
相应点分别为
,
。
在驻点处,由于 ,有
,
,
。
在 处,
,
故 Hessian 正定, 为极小值。
在另一点,
,
故 Hessian 负定, 为极大值。
- 设,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:
且 ,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
。
- 求在约束条件下的最大值与最小值
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答案:
,
。
解析:
令
,
。
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
,
即
。
因此
。
这里 始终为正,所以 。
故
,
。
- 求曲线上距离平面最远和最近的点的坐标
查看答案与解析
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
,
。
由
,
得
,
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 。
当 时,
,
故 。
当 时,
,
故 。
因此最近点为 ,最远点为 。
- 求函数在约束条件与下的最值
查看答案与解析
答案:
最大值 ,在 处取得;
最小值 ,在 处取得。
解析:
由
,
得
。
又由第二个约束,
。
所以
。
可行性要求
,
故
。
在该区间内, 单调减少。
当 时,
,
故
。
当 时,
,
故
。
- 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
。
而
。
由约束
,
得
。
因此要使面积最小,只需使 最大。
又
,
故
,
等号当且仅当 。
因此
。
此时切线为
,
面积为
。
- 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:
。
当 时,
,
并有
,
即
。
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
,
。
故
,
。
- 设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) 在 处取得极大值 ,无极小值。
解析:
由
,
积分可写为
。
利用
,
可将其写成
,
其中 。
再代入
,
得
,
所以
。
故
。
令
。
一阶偏导数为
,
。
驻点为
,
,
。
在 处,Hessian 为
,
负定,故为极大值点,且
。
在 处,Hessian 行列式为负,故均为鞍点。
又当 固定且 时,,故无极小值。
- 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
查看答案与解析
答案:
最大值为 ,在 、 处取得;
最小值为 ,在 、 处取得。
解析:
由
,
对 积分两次,得
。
由
,
得 。
又
,
由 得
。
故
。
令
,
。
约束化为
,
且
。
对应二次型矩阵为
,
其特征值为
与 。
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。
- 设,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
查看答案与解析
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,
,
且 。
由
,
等号可在
处取得。
因此原问题化为在 上求
的最大值。
当 时,
。
比较 ,得最大值
。
它在
处取得。
对一般的 ,
。
除 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
,
,
。
故
。
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。
- 设,求函数在区域上的最大值与最小值
查看答案与解析
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。
当 时,
。
其候选点为 ,函数值分别为
。
当 时同理,候选值也是
。
当 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 。
- 设,求其在平面区域上的取值范围
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答案:
。
其中最小值 在 处取得,最大值 在 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。
在 上,
。
候选点为 ,函数值中最小者为
,最大者为 。
在 上,
。
候选点为 ,相应主要值为
。
在 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
。
- 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,在区域的边界上,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, 在 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
。
- 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:
由
,
链式法则给出
。
在 时,题设偏微分方程给出
。
对 积分:
。
当 时,,即 ,故
。
代入上式得
,
所以
。
因此
。
由 ,得到
。
故在通常变量记号下,
。
区域内部驻点满足
,
,
得到 与 ,其函数值分别为 与 。
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 。
- 设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
,
。
则
,
。
计算得
,
,
。
所以
。
另一方面,
。
因此原方程化为
,
即
。
下面求解。令
,
则
。
所以
。
对 积分可写为
。
由
,
得
。
记 ,则
。
再令
。
题设给出
。
即
。
因此
。
又
,
所以 ,即
。
将其与一般式结合,常数项相消,最终得到
。