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114 台聯大微積分 A3/A4/A6 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

114學年度 · 114微積分A3/A4/A6 · 第 5 題

題目

Problem

Suppose z=f(x,y)z = f(x, y), where x=g(s,t)x = g(s, t), y=h(s,t)y = h(s, t), g(1,2)=3g(1, 2) = 3, gs(1,2)=1g_s(1, 2) = -1, gt(1,2)=4g_t(1, 2) = 4, h(1,2)=6h(1, 2) = 6, hs(1,2)=5h_s(1, 2) = -5, ht(1,2)=10h_t(1, 2) = 10, fx(3,6)=7f_x(3, 6) = 7, and fy(3,6)=8f_y(3, 6) = 8. Find z/s\partial z/\partial s when s=1s = 1 and t=2t = 2.

(5) (5)\underline{\quad(5)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個複合函數 z=f(g(s,t),h(s,t))z = f\big(g(s,t), h(s,t)\big),要求其對自變數 ss 的偏導數 zs\frac{\partial z}{\partial s} 在點 (s,t)=(1,2)(s,t) = (1,2) 的值。
  2. 核心工具是多元複合函數求導連鎖律 (Multivariable Chain Rule)
  3. 對於 z=f(x,y)z = f(x,y)x,yx,ys,ts,t 的函數,對 ss 求偏導的公式為: zs=zxxs+zyys=fx(x,y)gs(s,t)+fy(x,y)hs(s,t)\frac{\partial z}{\partial s} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial s} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial s} = f_x(x, y) \cdot g_s(s, t) + f_y(x, y) \cdot h_s(s, t)
  4. s=1,t=2s = 1, t = 2 時:
    • 首先求出中間變數 xxyy 的對應值:x=g(1,2)x = g(1, 2)y=h(1,2)y = h(1, 2)
    • 將已知的偏導值 gs(1,2)g_s(1,2)hs(1,2)h_s(1,2)fx(x,y)f_x(x,y)fy(x,y)f_y(x,y) 直接代入公式計算即可。

答題過程

展開

根據多元複合函數的偏導連鎖律,我們有:

zs=zxxs+zyys=fx(x,y)gs(s,t)+fy(x,y)hs(s,t)\frac{\partial z}{\partial s} = \frac{\partial z}{\partial x} \frac{\partial x}{\partial s} + \frac{\partial z}{\partial y} \frac{\partial y}{\partial s} = f_x(x, y) \cdot g_s(s, t) + f_y(x, y) \cdot h_s(s, t)

現在,我們在點 (s,t)=(1,2)(s, t) = (1, 2) 處求值:

  1. 求中間變數 xxyy: 根據題目已知條件:

    x=g(1,2)=3y=h(1,2)=6\begin{align*} x =&\, g(1, 2) = 3 \\[4mm] y =&\, h(1, 2) = 6 \end{align*}

    因此,此時對應的直角座標點為 (x,y)=(3,6)(x, y) = (3, 6)

  2. 代入所有偏導數已知值: 已知:

    • gs(1,2)=1g_s(1, 2) = -1
    • hs(1,2)=5h_s(1, 2) = -5
    • fx(3,6)=7f_x(3, 6) = 7
    • fy(3,6)=8f_y(3, 6) = 8

將上述各項數值代回偏導連鎖律公式:

zs(s,t)=(1,2)=fx(3,6)gs(1,2)+fy(3,6)hs(1,2)=7(1)+8(5)=740=47\begin{align*} \left. \frac{\partial z}{\partial s} \right|_{(s,t)=(1,2)} =&\, f_x(3, 6) \cdot g_s(1, 2) + f_y(3, 6) \cdot h_s(1, 2) \\[4mm] =&\, 7 \cdot (-1) + 8 \cdot (-5) \\[4mm] =&\, -7 - 40 \\[4mm] =&\, -47 \end{align*}

因此,第 (5) 格答案為 -47