Calculus · real student question

設 A = x i + y j − z k、B = 3x i + 2y j + z k。求 A 叉乘 B 先對 y 再對 x 的混合二階偏導數,並在點 (1, 2, 1) 求值。

Question

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

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

在點 (1,2,1)(1,2,1) 的值。

Step-by-step solution

  1. 先做外積,再微分。 逐分量微分外積必須先有分量才行,所以先把行列式算出來:

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

    另一條路 —— 用乘積律 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 —— 也成立,但在這裡比較冗長。

  2. 逐個分量展開行列式。

    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

    所以

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

    j\mathbf j 項前面那個變號是餘因子展開的一部分,也是最常出錯的地方。

  3. xx 微分,把 yyzz 視為常數。

    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

    i\mathbf i 分量裡完全沒有 xx,所以立刻歸零。

  4. 再把結果對 yy 微分。

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

    活下來的每一項都是一次的,所以二階導數是一個常向量:答案在每一點都是 k-\mathbf k,包括 (1,2,1)(1,2,1)。那個點的座標從頭到尾都沒用到 —— 值得在答案裡明講。

  5. 用克萊羅定理交換順序來檢查。 先對 yy 微分得 3zixk3z\,\mathbf i-x\,\mathbf k,再對 xx 微分得 k-\mathbf k。兩種順序一致,對多項式(因而光滑)的向量場來說本來就該如此。

Answer

k-\mathbf k

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