문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

편도함수

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CLP-3 · 2.3절 · 5번대학 수준우리말 번역

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(a) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big); fxyz(x,y,z)f_{xyz}(x,y,z) (b) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)+arctan⁡(exz)+arctan⁡(eyz)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) +\arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) +\arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big); fxyz(x,y,z)f_{xyz}(x,y,z) (c) f(x,y,z)=arctan⁡(exyz)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xyz}}\big); fxx(1,0,0)f_{xx}(1,0,0)

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Find the specified partial derivatives.

(a) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big); fxyz(x,y,z)f_{xyz}(x,y,z) (b) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)+arctan⁡(exz)+arctan⁡(eyz)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) +\arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) +\arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big); fxyz(x,y,z)f_{xyz}(x,y,z) (c) f(x,y,z)=arctan⁡(exyz)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xyz}}\big); fxx(1,0,0)f_{xx}(1,0,0)

정답·풀이 보기

(a) f(x,y,z)=arctan⁡(exy)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) 는 zz 에 무관하므로 fz(x,y,z)=0f_z(x,y,z) = 0 이고, 따라서

fxyz(x,y,z)=fzxy(x,y,z)=0f_{xyz}(x,y,z) =f_{zxy}(x,y,z) =0

이다.

(b) u(x,y,z)=arctan⁡(exy)u(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big), v(x,y,z)=arctan⁡(exz)v(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big), w(x,y,z)=arctan⁡(eyz)w(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big) 라 하자. 그러면

  • u(x,y,z)=arctan⁡(exy)u(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) 는 zz 에 무관하므로 uz(x,y,z)=0u_z(x,y,z) = 0 이고, 따라서 uxyz(x,y,z)=uzxy(x,y,z)=0 u_{xyz}(x,y,z) =u_{zxy}(x,y,z) =0
  • v(x,y,z)=arctan⁡(exz)v(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) 는 yy 에 무관하므로 vy(x,y,z)=0v_y(x,y,z) = 0 이고, 따라서 vxyz(x,y,z)=vyxz(x,y,z)=0 v_{xyz}(x,y,z) =v_{yxz}(x,y,z) =0
  • w(x,y,z)=arctan⁡(eyz)w(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big) 는 xx 에 무관하므로 wx(x,y,z)=0w_x(x,y,z) = 0 이고, 따라서 wxyz(x,y,z)=0 w_{xyz}(x,y,z) =0

f(x,y,z)=u(x,y,z)+v(x,y,z)+w(x,y,z)f(x,y,z)=u(x,y,z)+v(x,y,z)+w(x,y,z) 이므로

fxyz(x,y,z)=uxyz(x,y,z)+vxyz(x,y,z)+wxyz(x,y,z)=0f_{xyz}(x,y,z)=u_{xyz}(x,y,z)+v_{xyz}(x,y,z)+w_{xyz}(x,y,z)=0

이다.

(c) fxx(x,0,0)f_{xx}(x,0,0) 을 구하는 과정에서 yy 와 zz 는 모두 00 으로 고정된다. 따라서 g(x)=f(x,0,0)g(x) = f(x,0,0) 이라 하면 fxx(x,0,0)=g′′(x)f_{xx}(x,0,0)=g''(x) 이다. 이제

g(x)=f(x,0,0)=arctan⁡(exyz)∣y=z=0=arctan⁡(1)=π4g(x) = f(x,0,0) = \arctan\big(e^{\sqrt{xyz}}\big)\Big|_{y=z=0} =\arctan(1) =\frac{\pi}{4}

이고 이는 모든 xx 에 대해 성립한다. 그러므로 모든 xx 에 대해 g′(x)=0g'(x)=0 이고 g′′(x)=0g''(x)=0 이다. 특히

fxx(1,0,0)=g′′(1)=0f_{xx}(1,0,0) = g''(1) = 0

이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) As f(x,y,z)=arctan⁡(exy)f(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) is independent of zz, we have fz(x,y,z)=0f_z(x,y,z) = 0 and hence

fxyz(x,y,z)=fzxy(x,y,z)=0f_{xyz}(x,y,z) =f_{zxy}(x,y,z) =0

(b) Write u(x,y,z)=arctan⁡(exy)u(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big), v(x,y,z)=arctan⁡(exz)v(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) and w(x,y,z)=arctan⁡(eyz)w(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big). Then

  • As u(x,y,z)=arctan⁡(exy)u(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xy}}\big) is independent of zz, we have uz(x,y,z)=0u_z(x,y,z) = 0 and hence uxyz(x,y,z)=uzxy(x,y,z)=0 u_{xyz}(x,y,z) =u_{zxy}(x,y,z) =0
  • As v(x,y,z)=arctan⁡(exz)v(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{xz}}\big) is independent of yy, we have vy(x,y,z)=0v_y(x,y,z) = 0 and hence vxyz(x,y,z)=vyxz(x,y,z)=0 v_{xyz}(x,y,z) =v_{yxz}(x,y,z) =0
  • As w(x,y,z)=arctan⁡(eyz)w(x,y,z) = \arctan\big(e^{\sqrt{yz}}\big) is independent of xx, we have wx(x,y,z)=0w_x(x,y,z) = 0 and hence wxyz(x,y,z)=0 w_{xyz}(x,y,z) =0

As f(x,y,z)=u(x,y,z)+v(x,y,z)+w(x,y,z)f(x,y,z)=u(x,y,z)+v(x,y,z)+w(x,y,z), we have

fxyz(x,y,z)=uxyz(x,y,z)+vxyz(x,y,z)+wxyz(x,y,z)=0f_{xyz}(x,y,z)=u_{xyz}(x,y,z)+v_{xyz}(x,y,z)+w_{xyz}(x,y,z)=0

(c) In the course of evaluating fxx(x,0,0)f_{xx}(x,0,0), both yy and zz are held fixed at 00. Thus, if we set g(x)=f(x,0,0)g(x) = f(x,0,0), then fxx(x,0,0)=g′′(x)f_{xx}(x,0,0)=g''(x). Now

g(x)=f(x,0,0)=arctan⁡(exyz)∣y=z=0=arctan⁡(1)=π4g(x) = f(x,0,0) = \arctan\big(e^{\sqrt{xyz}}\big)\Big|_{y=z=0} =\arctan(1) =\frac{\pi}{4}

for all xx. So g′(x)=0g'(x)=0 and g′′(x)=0g''(x)=0 for all xx. In particular,

fxx(1,0,0)=g′′(1)=0f_{xx}(1,0,0) = g''(1) = 0

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.3절 · 4번우리말 번역

f(x,y)=x2+5y2f(x,y)=\sqrt{x^2+5y^2} 의 모든 이계편도함수를 구하세요.

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f(x,y)=x2+5y2f(x,y)=\sqrt{x^2+5y^2} 이라 하자. 그러면

fx=xx2+5y2fxx=1x2+5y2−12(x)(2x)(x2+5y2)3/2fxy=−12(x)(10y)(x2+5y2)3/2fy=5yx2+5y2fyy=5x2+5y2−12(5y)(10y)(x2+5y2)3/2fyx=−12(5y)(2x)(x2+5y2)3/2\begin{aligned} f_x&=\frac{x}{\sqrt{x^2+5y^2}} & f_{xx}&=\frac{1}{\sqrt{x^2+5y^2}}-\frac{1}{2}\frac{(x)(2x)}{(x^2+5y^2)^{3/2}} & f_{xy}&=-\frac{1}{2}\frac{(x)(10y)}{(x^2+5y^2)^{3/2}} \\ f_y&=\frac{5y}{\sqrt{x^2+5y^2}} & f_{yy}&=\frac{5}{\sqrt{x^2+5y^2}}-\frac{1}{2}\frac{(5y)(10y)}{(x^2+5y^2)^{3/2}}& f_{yx}&=-\frac{1}{2}\frac{(5y)(2x)}{(x^2+5y^2)^{3/2}} \end{aligned}

간단히 하면, 특히 1x2+5y2=x2+5y2(x2+5y2)3/2\frac{1}{\sqrt{x^2+5y^2}} =\frac{x^2+5y^2}{(x^2+5y^2)^{3/2}} 임을 이용하면,

fxx=5y2(x2+5y2)3/2fxy=fyx=−5xy(x2+5y2)3/2fyy=5x2(x2+5y2)3/2f_{xx}=\frac{5y^2}{(x^2+5y^2)^{3/2}}\qquad f_{xy}=f_{yx}=-\frac{5xy}{(x^2+5y^2)^{3/2}}\qquad f_{yy}=\frac{5x^2}{(x^2+5y^2)^{3/2}}

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