Calculus · real student question

ให้ A = x i + y j - z k และ B = 3x i + 2y j + z k จงหาอนุพันธ์ย่อยอันดับสองแบบผสมของ A x B เทียบกับ y แล้ว x โดยหาค่าที่จุด (1, 2, 1)

Question

ให้

A=xi+yjzk,B=3xi+2yj+zk\vec A=x\,\mathbf i+y\,\mathbf j-z\,\mathbf k,\qquad \vec B=3x\,\mathbf i+2y\,\mathbf j+z\,\mathbf k

จงหา

2(A×B)yx\frac{\partial^{2}\left(\vec A\times\vec B\right)}{\partial y\,\partial x}

ที่จุด (1,2,1)(1,2,1)

Step-by-step solution

  1. ทำผลคูณเชิงเวกเตอร์ก่อน แล้วค่อยหาอนุพันธ์ การหาอนุพันธ์ของผลคูณเชิงเวกเตอร์ทีละองค์ประกอบทำได้ก็ต่อเมื่อมีองค์ประกอบอยู่ในมือแล้ว จึงต้องกางดีเทอร์มิแนนต์ออกก่อน

    A×B=ijkxyz3x2yz\vec A\times\vec B=\begin{vmatrix}\mathbf i&\mathbf j&\mathbf k\\ x&y&-z\\ 3x&2y&z\end{vmatrix}

    อีกทางเลือกหนึ่งคือใช้กฎผลคูณ x(A×B)=xA×B+A×xB\partial_x(\vec A\times\vec B)=\partial_x\vec A\times\vec B+\vec A\times\partial_x\vec B ซึ่งถูกต้องเช่นกัน แต่ยาวกว่าในโจทย์นี้

  2. กางดีเทอร์มิแนนต์ทีละองค์ประกอบ

    i: (y)(z)(z)(2y)=yz+2yz=3yz\mathbf i:\ (y)(z)-(-z)(2y)=yz+2yz=3yz
    j: [(x)(z)(z)(3x)]=[xz+3xz]=4xz\mathbf j:\ -\big[(x)(z)-(-z)(3x)\big]=-\big[xz+3xz\big]=-4xz
    k: (x)(2y)(y)(3x)=2xy3xy=xy\mathbf k:\ (x)(2y)-(y)(3x)=2xy-3xy=-xy

    ดังนั้น

    A×B=3yzi4xzjxyk\vec A\times\vec B=3yz\,\mathbf i-4xz\,\mathbf j-xy\,\mathbf k

    เครื่องหมายที่พลิกอยู่หน้าพจน์ j\mathbf j เป็นส่วนหนึ่งของการกระจายโคแฟกเตอร์ และเป็นจุดที่คนพลาดบ่อยที่สุด

  3. หาอนุพันธ์เทียบ xx โดยมอง yy และ zz เป็นค่าคงตัว

    x(3yzi4xzjxyk)=0i4zjyk\frac{\partial}{\partial x}\left(3yz\,\mathbf i-4xz\,\mathbf j-xy\,\mathbf k\right)=0\,\mathbf i-4z\,\mathbf j-y\,\mathbf k

    องค์ประกอบ i\mathbf i ไม่มี xx อยู่เลย จึงหายไปทันที

  4. หาอนุพันธ์ของผลลัพธ์เทียบ yy

    y(4zjyk)=0j1k=k\frac{\partial}{\partial y}\left(-4z\,\mathbf j-y\,\mathbf k\right)=0\,\mathbf j-1\,\mathbf k=-\mathbf k

    พจน์ที่รอดมาทุกตัวเป็นเชิงเส้น อนุพันธ์อันดับสองจึงเป็น เวกเตอร์คงตัว คำตอบคือ k-\mathbf k ที่ทุกจุด รวมทั้งที่ (1,2,1)(1,2,1) ด้วย พิกัดของจุดนั้นไม่ได้ถูกใช้เลย ซึ่งควรระบุไว้ในคำตอบด้วย

  5. ตรวจด้วยทฤษฎีบทของแคลโรต์โดยสลับลำดับ ถ้าหาอนุพันธ์เทียบ yy ก่อนจะได้ 3zixk3z\,\mathbf i-x\,\mathbf k แล้วหาเทียบ xx ต่อได้ k-\mathbf k ทั้งสองลำดับให้ผลตรงกัน ตามที่ต้องเป็นสำหรับสนามเวกเตอร์ที่เป็นพหุนาม (จึงเรียบ)

Answer

k-\mathbf k

Need to solve a different problem like this? Open the solver →