개념 해석 · Concepts

NOTE 연쇄법칙의 확장 Extending the Chain RuleSection opening · p.1023
한국어

1변수 연쇄법칙은 합성함수를 미분하는 규칙이다. $y=f(x)$와 $x=g(t)$가 모두 미분가능하면 $y$는 간접적으로 $t$의 미분가능한 함수가 되고

$$\frac{dy}{dt}=\frac{dy}{dx}\,\frac{dx}{dt}.$$

이 절에서는 이 규칙을 여러 변수의 함수로 확장한다. 걸림돌은 다변수 합성함수가 여러 방식으로 조립될 수 있다는 점이다 — 바깥 함수의 중간변수가 둘일 수도, $n$개일 수도 있고, 그 중간변수들이 독립변수 하나에 의존할 수도, 여러 개에 의존할 수도 있다. 조립 방식마다 규칙의 모습이 달라지므로, 이 절은 경우 1, 경우 2, 그리고 이 둘을 특수한 경우로 포함하는 일반형까지 세 가지 버전을 제시한다.

English

For one variable the Chain Rule differentiates a composite function: if $y=f(x)$ and $x=g(t)$ are both differentiable, then $y$ is indirectly a differentiable function of $t$ and

$$\frac{dy}{dt}=\frac{dy}{dx}\,\frac{dx}{dt}.$$

This section carries that rule over to functions of more than one variable. The complication is that a composite function of several variables can be assembled in different ways — the outer function may have two intermediate variables or $n$ of them, and those may depend on one independent variable or on several. Each assembly produces its own version of the rule, so the section states three: Case 1, Case 2, and a general version that contains both as special cases.

THM 2 연쇄법칙 (경우 1) The Chain Rule, Case 1Theorem 1 · p.1023
한국어

경우 1은 $z=f(x,y)$의 두 인수가 그 자체로 한 변수 $t$의 함수인 경우를 다룬다. 즉 $z=f(g(t),h(t))$는 $t$ 하나에만 의존한다. 여기서 $f$의 미분가능성은 정의 14.4.7의 의미이며, 특히 $f_x,f_y$가 연속이면 (정리 14.4.8에 의해) 이 조건은 자동으로 성립한다.

정리 (연쇄법칙, 경우 1). $z=f(x,y)$가 $x,y$에 대해 미분가능한 함수이고, $x=g(t)$와 $y=h(t)$가 $t$에 대해 미분가능한 함수라 하자. 그러면 $z$는 $t$에 대해 미분가능한 함수이고

$$\frac{dz}{dt}=\frac{\partial f}{\partial x}\,\frac{dx}{dt}+\frac{\partial f}{\partial y}\,\frac{dy}{dt}.$$
z x y t t ∂z/∂x ∂z/∂y dx/dt dy/dt

증명. 정의 14.4.7에 따르면 $f$가 $(x,y)$에서 미분가능하다는 것은 그 점에서의 증분이

$$\Delta z=f_x\,\Delta x+f_y\,\Delta y+\varepsilon_1\,\Delta x+\varepsilon_2\,\Delta y$$

로 쓰이고, $(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)$일 때 $\varepsilon_1\to0$, $\varepsilon_2\to0$이 됨을 뜻한다. ($\varepsilon_1,\varepsilon_2$가 $(0,0)$에서 정의되지 않는 경우에는 그 점에서의 값을 $0$으로 정해 둔다. $\Delta t\neq0$이어도 $\Delta x=\Delta y=0$일 수 있으므로 이 약속이 필요하다.) $t$에 임의의 증분 $\Delta t\neq0$을 주고 $\Delta x=g(t+\Delta t)-g(t)$, $\Delta y=h(t+\Delta t)-h(t)$, $\Delta z=f(x+\Delta x,y+\Delta y)-f(x,y)$로 두면 위 식이 그대로 성립하고, 양변을 $\Delta t$로 나누면

$$\frac{\Delta z}{\Delta t}=f_x\,\frac{\Delta x}{\Delta t}+f_y\,\frac{\Delta y}{\Delta t}+\varepsilon_1\,\frac{\Delta x}{\Delta t}+\varepsilon_2\,\frac{\Delta y}{\Delta t}$$

를 얻는다. $g,h$가 $t$에서 미분가능하므로 그 점에서 연속이고, 따라서 $\Delta t\to0$이면 $\Delta x\to0$, $\Delta y\to0$이 되어 $\varepsilon_1\to0$, $\varepsilon_2\to0$이다. 또한 $\Delta x/\Delta t\to dx/dt$, $\Delta y/\Delta t\to dy/dt$는 유한한 극한이므로 $\varepsilon_1\,\Delta x/\Delta t\to0\cdot dx/dt=0$이고 같은 이유로 $\varepsilon_2\,\Delta y/\Delta t\to0$이다. $\Delta t\to0$에서 좌변 $\Delta z/\Delta t$의 극한이 존재하므로 $z$는 $t$의 미분가능한 함수이고, 위 식의 극한을 취하면

$$\frac{dz}{dt}=f_x\,\frac{dx}{dt}+f_y\,\frac{dy}{dt}$$

를 얻는다.

$\square$
English

The first version treats a function $z=f(x,y)$ whose two arguments are themselves functions of a single variable $t$, so that $z=f(g(t),h(t))$ depends on $t$ alone. Differentiability of $f$ is understood in the sense of Definition 14.4.7, which holds in particular whenever $f_x$ and $f_y$ are continuous (Theorem 14.4.8).

Theorem (Chain Rule, Case 1). Let $z=f(x,y)$ be a differentiable function of $x$ and $y$, and let $x=g(t)$ and $y=h(t)$ be differentiable functions of $t$. Then $z$ is a differentiable function of $t$, and

$$\frac{dz}{dt}=\frac{\partial f}{\partial x}\,\frac{dx}{dt}+\frac{\partial f}{\partial y}\,\frac{dy}{dt}.$$
z x y t t ∂z/∂x ∂z/∂y dx/dt dy/dt

Proof. By Definition 14.4.7, differentiability of $f$ at $(x,y)$ means the increment there can be written

$$\Delta z=f_x\,\Delta x+f_y\,\Delta y+\varepsilon_1\,\Delta x+\varepsilon_2\,\Delta y,$$

with $\varepsilon_1\to0$ and $\varepsilon_2\to0$ as $(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)$. (Where $\varepsilon_1$ and $\varepsilon_2$ are undefined at $(0,0)$, give them the value $0$ there; this is needed because $\Delta t\neq0$ may still leave $\Delta x=\Delta y=0$.) Give $t$ an increment $\Delta t\neq0$ and set $\Delta x=g(t+\Delta t)-g(t)$, $\Delta y=h(t+\Delta t)-h(t)$, $\Delta z=f(x+\Delta x,y+\Delta y)-f(x,y)$; the identity above still holds, and dividing through by $\Delta t$ gives

$$\frac{\Delta z}{\Delta t}=f_x\,\frac{\Delta x}{\Delta t}+f_y\,\frac{\Delta y}{\Delta t}+\varepsilon_1\,\frac{\Delta x}{\Delta t}+\varepsilon_2\,\frac{\Delta y}{\Delta t}.$$

Since $g$ and $h$ are differentiable at $t$, they are continuous there, so $\Delta t\to0$ forces $\Delta x\to0$ and $\Delta y\to0$, hence $\varepsilon_1\to0$ and $\varepsilon_2\to0$. Also $\Delta x/\Delta t\to dx/dt$ and $\Delta y/\Delta t\to dy/dt$ are finite limits, so $\varepsilon_1\,\Delta x/\Delta t\to0\cdot dx/dt=0$ and likewise $\varepsilon_2\,\Delta y/\Delta t\to0$. The limit of the left side as $\Delta t\to0$ therefore exists, so $z$ is a differentiable function of $t$, and passing to the limit in the displayed equation yields

$$\frac{dz}{dt}=f_x\,\frac{dx}{dt}+f_y\,\frac{dy}{dt}.$$
$\square$
REM 3 전미분과의 형태적 유사 Resemblance to the DifferentialMargin note · p.1024
한국어

$\partial f/\partial x$ 대신 $\partial z/\partial x$로 표기를 바꾸면 경우 1은 다음과 같은 꼴이 된다.

$$\frac{dz}{dt}=\frac{\partial z}{\partial x}\,\frac{dx}{dt}+\frac{\partial z}{\partial y}\,\frac{dy}{dt},$$

이는 전미분

$$dz=\frac{\partial z}{\partial x}\,dx+\frac{\partial z}{\partial y}\,dy$$

의 각 항을 $dt$로 나눈 것과 같은 모양이다. 이 유사성은 공식을 외우는 데 쓸모 있는 기억법이지만 어디까지나 형식적인 유사일 뿐이다. 연쇄법칙은 합성함수의 도함수에 관한 명제이지, 미분 기호의 비를 다루는 계산이 아니다.

English

Writing $\partial z/\partial x$ in place of $\partial f/\partial x$ puts Case 1 in the form

$$\frac{dz}{dt}=\frac{\partial z}{\partial x}\,\frac{dx}{dt}+\frac{\partial z}{\partial y}\,\frac{dy}{dt},$$

which is the differential

$$dz=\frac{\partial z}{\partial x}\,dx+\frac{\partial z}{\partial y}\,dy$$

with every term divided by $dt$. The resemblance is a useful mnemonic, but it is only formal: the Chain Rule is a statement about derivatives of a composite function, not a manipulation of ratios of differentials.

THM 4 연쇄법칙 (경우 2) The Chain Rule, Case 2Theorem 2 · p.1025
한국어

이번에는 $z=f(x,y)$의 두 인수가 두 변수에 의존하는 경우, 즉 $x=g(s,t)$, $y=h(s,t)$인 경우를 생각하자. 이때 $z$는 간접적으로 $s,t$의 함수가 되고, $\partial z/\partial s$와 $\partial z/\partial t$를 모두 구하고 싶다. 새로운 증명은 필요 없다. $\partial z/\partial t$를 구할 때는 $s$를 상수로 고정하므로 $t$에 대한 보통의 도함수만 남아 경우 1을 그대로 쓸 수 있고, $s$와 $t$의 역할을 바꾸면 나머지 공식도 같은 방식으로 나온다.

정리 (연쇄법칙, 경우 2). $z=f(x,y)$가 $x,y$에 대해 미분가능한 함수이고, $x=g(s,t)$와 $y=h(s,t)$가 $s,t$에 대해 미분가능한 함수라 하자. 그러면

$$\frac{\partial z}{\partial s}=\frac{\partial z}{\partial x}\,\frac{\partial x}{\partial s}+\frac{\partial z}{\partial y}\,\frac{\partial y}{\partial s},$$
$$\frac{\partial z}{\partial t}=\frac{\partial z}{\partial x}\,\frac{\partial x}{\partial t}+\frac{\partial z}{\partial y}\,\frac{\partial y}{\partial t}.$$
English

Next let the two arguments of $z=f(x,y)$ depend on two variables, $x=g(s,t)$ and $y=h(s,t)$. Then $z$ is indirectly a function of $s$ and $t$, and both $\partial z/\partial s$ and $\partial z/\partial t$ are wanted. No new proof is needed: computing $\partial z/\partial t$ means holding $s$ fixed, which leaves an ordinary derivative in $t$ to which Case 1 applies; the same argument with the roles of $s$ and $t$ exchanged gives the other formula.

Theorem (Chain Rule, Case 2). Let $z=f(x,y)$ be a differentiable function of $x$ and $y$, and let $x=g(s,t)$ and $y=h(s,t)$ be differentiable functions of $s$ and $t$. Then

$$\frac{\partial z}{\partial s}=\frac{\partial z}{\partial x}\,\frac{\partial x}{\partial s}+\frac{\partial z}{\partial y}\,\frac{\partial y}{\partial s},$$
$$\frac{\partial z}{\partial t}=\frac{\partial z}{\partial x}\,\frac{\partial x}{\partial t}+\frac{\partial z}{\partial y}\,\frac{\partial y}{\partial t}.$$
REM 5 독립·중간·종속 변수와 수형도 Intermediate Variables and Tree DiagramsFigure 2 · p.1025–1026
한국어

경우 2에는 세 종류의 변수가 등장한다. $s,t$는 독립변수, $x,y$는 중간변수, $z$는 종속변수이다. 정리 2는 중간변수 하나마다 항을 하나씩 내놓으며, 그 각 항은 1변수 연쇄법칙과 같은 모양을 하고 있다.

아래의 수형도는 이 구조를 그림으로 나타낸 것이다. 종속변수 $z$에서 중간변수 $x,y$로 가지가 뻗고, 다시 그로부터 독립변수 $s,t$로 가지가 뻗으며, 각 가지 위에는 위쪽 변수를 아래쪽 변수로 편미분한 도함수를 적는다. 이 그림만 보고도 규칙을 다음과 같이 읽어낼 수 있다.

$z$를 어떤 한 독립변수로 미분한 도함수를 구하려면, $z$에서 그 변수까지 내려가는 각 경로를 따라 편도함수들을 곱하고, 그렇게 얻은 값을 모든 경로에 걸쳐 더한다.

$z$에서 $s$로 가는 두 경로를 따라가면 $\partial z/\partial s$의 공식이, $z$에서 $t$로 가는 두 경로를 따라가면 $\partial z/\partial t$의 공식이 그대로 재현된다.

z x y s t s t ∂z/∂x ∂z/∂y ∂x/∂s ∂x/∂t ∂y/∂s ∂y/∂t
English

Case 2 involves three kinds of variable. Here $s$ and $t$ are the independent variables, $x$ and $y$ are the intermediate variables, and $z$ is the dependent variable. Theorem 2 contributes one term for each intermediate variable, and each such term looks like the one-variable Chain Rule.

The tree diagram below records this structure. Branches run from the dependent variable $z$ to the intermediate variables $x$ and $y$, and from those to the independent variables $s$ and $t$; on each branch one writes the partial derivative of the upper variable with respect to the lower one. The rule is then read off the picture:

To find the derivative of $z$ with respect to one independent variable, multiply the partial derivatives along each path from $z$ down to that variable, then add the products over all such paths.

Following the two paths from $z$ to $s$ reproduces the formula for $\partial z/\partial s$, and the two paths from $z$ to $t$ reproduce the formula for $\partial z/\partial t$.

z x y s t s t ∂z/∂x ∂z/∂y ∂x/∂s ∂x/∂t ∂y/∂s ∂y/∂t
THM 6 연쇄법칙 (일반형) The Chain Rule, General VersionTheorem 3 · p.1026
한국어

경우 1과 경우 2는 하나의 규칙이 $(n,m)=(2,1)$과 $(n,m)=(2,2)$인 특수한 경우일 뿐이다. 이 규칙에서는 종속변수 $u$가 $n$개의 중간변수로 이루어지고, 그 중간변수들이 다시 $m$개의 독립변수에 의존한다.

정리 (연쇄법칙, 일반형). $u$가 $n$개의 변수 $x_1,x_2,\dots,x_n$에 대해 미분가능한 함수이고, 각 $x_j$가 $m$개의 변수 $t_1,t_2,\dots,t_m$에 대해 미분가능한 함수라 하자. 그러면 $u$는 $t_1,t_2,\dots,t_m$의 함수이고, 각 $i=1,2,\dots,m$에 대해

$$\frac{\partial u}{\partial t_i}=\frac{\partial u}{\partial x_1}\,\frac{\partial x_1}{\partial t_i}+\frac{\partial u}{\partial x_2}\,\frac{\partial x_2}{\partial t_i}+\cdots+\frac{\partial u}{\partial x_n}\,\frac{\partial x_n}{\partial t_i}.$$

이 합에는 정확히 $n$개의 항이 있으며, 이는 중간변수 하나당 하나씩 — 다시 말해 수형도에서 $u$부터 $t_i$까지 이어지는 경로 하나당 하나씩에 해당한다.

증명: 경우 1의 증명과 같은 방식이다.

u x1 x2 xn ti ∂u/∂x1 ∂u/∂x2 ∂u/∂xn ∂x1/∂ti ∂x2/∂ti ∂xn/∂ti
English

Cases 1 and 2 are the instances $(n,m)=(2,1)$ and $(n,m)=(2,2)$ of one rule, in which a dependent variable $u$ is built from $n$ intermediate variables that in turn depend on $m$ independent variables.

Theorem (Chain Rule, General Version). Let $u$ be a differentiable function of the $n$ variables $x_1,x_2,\dots,x_n$, and let each $x_j$ be a differentiable function of the $m$ variables $t_1,t_2,\dots,t_m$. Then $u$ is a function of $t_1,t_2,\dots,t_m$ and, for every $i=1,2,\dots,m$,

$$\frac{\partial u}{\partial t_i}=\frac{\partial u}{\partial x_1}\,\frac{\partial x_1}{\partial t_i}+\frac{\partial u}{\partial x_2}\,\frac{\partial x_2}{\partial t_i}+\cdots+\frac{\partial u}{\partial x_n}\,\frac{\partial x_n}{\partial t_i}.$$

The sum has exactly $n$ terms, one per intermediate variable — equivalently, one per path from $u$ to $t_i$ in the tree diagram.

Proof: the argument is the same as for Case 1.

u x1 x2 xn ti ∂u/∂x1 ∂u/∂x2 ∂u/∂xn ∂x1/∂ti ∂x2/∂ti ∂xn/∂ti
NOTE 음함수 미분법 — 두 변수 Implicit Differentiation for F(x, y) = 0Equation (5) · p.1028
한국어

연쇄법칙은 §2.6과 §14.3에서 다룬 음함수 미분법의 근거를 설명해 준다. 방정식 $F(x,y)=0$이 $y$를 미분가능한 함수 $y=f(x)$로 결정한다고, 즉 $f$의 정의역에 속한 모든 $x$에 대해 $F(x,f(x))=0$이라고 하자. $F$가 미분가능하면 양변을 $x$에 대해 미분하되, $x$와 $y$를 모두 $x$의 함수로 보고 경우 1을 적용한다.

$$\frac{\partial F}{\partial x}\,\frac{dx}{dx}+\frac{\partial F}{\partial y}\,\frac{dy}{dx}=0.$$

$dx/dx=1$이므로 $\partial F/\partial y\neq0$일 때 $dy/dx$에 대해 풀면 본문 식 (5)가 나온다.

$$\frac{dy}{dx}=-\frac{\partial F/\partial x}{\partial F/\partial y}=-\frac{F_x}{F_y}.\tag{5}$$
English

The Chain Rule explains the implicit differentiation introduced in §2.6 and §14.3. Suppose an equation $F(x,y)=0$ determines $y$ as a differentiable function $y=f(x)$, meaning $F(x,f(x))=0$ for every $x$ in the domain of $f$. If $F$ is differentiable, differentiate both sides with respect to $x$ using Case 1, treating both $x$ and $y$ as functions of $x$:

$$\frac{\partial F}{\partial x}\,\frac{dx}{dx}+\frac{\partial F}{\partial y}\,\frac{dy}{dx}=0.$$

Since $dx/dx=1$, solving for $dy/dx$ — which requires $\partial F/\partial y\neq0$ — gives the formula labelled (5) in the text:

$$\frac{dy}{dx}=-\frac{\partial F/\partial x}{\partial F/\partial y}=-\frac{F_x}{F_y}.\tag{5}$$
REM 8 음함수 정리 The Implicit Function Theoremp.1028
한국어

식 (5)는 $F(x,y)=0$이 실제로 $y$를 $x$의 함수로 정의한다는 가정 아래 유도한 것이다. 고급 미적분학에서 증명하는 음함수 정리는 이 가정이 언제 정당한지를 알려준다.

음함수 정리. $F$가 $(a,b)$를 포함하는 원판에서 정의되어 있고, $F(a,b)=0$, $F_y(a,b)\neq0$이며, $F_x$와 $F_y$가 그 원판에서 연속이라 하자. 그러면 $(a,b)$ 근방에서 방정식 $F(x,y)=0$은 $y$를 $x$의 함수로 정의하며, 그 함수의 도함수는 식 (5)로 주어진다.

English

Formula (5) was derived under the assumption that $F(x,y)=0$ really does define $y$ as a function of $x$. The Implicit Function Theorem, proved in advanced calculus, says when that assumption is legitimate.

Implicit Function Theorem. Suppose $F$ is defined on a disk containing $(a,b)$, that $F(a,b)=0$ and $F_y(a,b)\neq0$, and that $F_x$ and $F_y$ are continuous on the disk. Then near $(a,b)$ the equation $F(x,y)=0$ defines $y$ as a function of $x$, and the derivative of that function is given by (5).

THM 9 음함수 미분법 — 세 변수 Implicit Differentiation for F(x, y, z) = 0Equations (6) · p.1029
한국어

이번에는 방정식 $F(x,y,z)=0$이 $z$를 음함수로 $z=f(x,y)$로 결정한다고, 즉 $f$의 정의역 전체에서 $F(x,y,f(x,y))=0$이라고 하자. $F$와 $f$가 미분가능할 때 이 항등식을 $x$에 대해 연쇄법칙으로 미분하면

$$\frac{\partial F}{\partial x}\,\frac{\partial x}{\partial x}+\frac{\partial F}{\partial y}\,\frac{\partial y}{\partial x}+\frac{\partial F}{\partial z}\,\frac{\partial z}{\partial x}=0.$$

여기서 $x,y$는 독립변수이므로 $\partial x/\partial x=1$, $\partial y/\partial x=0$이 되어 두 항만 남는다. $\partial F/\partial z\neq0$일 때 $\partial z/\partial x$에 대해 풀고, $y$에 대해서도 같은 계산을 되풀이하면 식 (6)의 두 공식을 얻는다.

$$\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{\partial F/\partial x}{\partial F/\partial z}=-\frac{F_x}{F_z},\tag{6}$$
$$\frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{\partial F/\partial y}{\partial F/\partial z}=-\frac{F_y}{F_z}.$$
English

Now let an equation $F(x,y,z)=0$ determine $z$ implicitly as a function $z=f(x,y)$, so that $F(x,y,f(x,y))=0$ throughout the domain of $f$. With $F$ and $f$ differentiable, apply the Chain Rule to differentiate that identity with respect to $x$:

$$\frac{\partial F}{\partial x}\,\frac{\partial x}{\partial x}+\frac{\partial F}{\partial y}\,\frac{\partial y}{\partial x}+\frac{\partial F}{\partial z}\,\frac{\partial z}{\partial x}=0.$$

Because $x$ and $y$ are the independent variables here, $\partial x/\partial x=1$ and $\partial y/\partial x=0$, so only two terms survive; solving for $\partial z/\partial x$ when $\partial F/\partial z\neq0$, and repeating the computation in $y$, gives the pair of formulas labelled (6):

$$\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{\partial F/\partial x}{\partial F/\partial z}=-\frac{F_x}{F_z},\tag{6}$$
$$\frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{\partial F/\partial y}{\partial F/\partial z}=-\frac{F_y}{F_z}.$$
REM 10 음함수 정리 (세 변수) The Implicit Function Theorem in Three Variablesp.1029
한국어

같은 정리를 세 변수로 확장한 판본이 식 (6)의 배경에 있는 가정을 정당화해 준다.

음함수 정리 (세 변수). $F$가 $(a,b,c)$를 포함하는 구 내부에서 정의되어 있고, $F(a,b,c)=0$, $F_z(a,b,c)\neq0$이며, $F_x,F_y,F_z$가 그 구 내부에서 연속이라 하자. 그러면 $(a,b,c)$ 근방에서 방정식 $F(x,y,z)=0$은 $z$를 $x,y$에 대해 미분가능한 함수로 정의하며, 그 편도함수는 식 (6)으로 주어진다.

English

A three-variable version of the same theorem licenses the assumption behind (6).

Implicit Function Theorem (three variables). Suppose $F$ is defined inside a sphere containing $(a,b,c)$, that $F(a,b,c)=0$ and $F_z(a,b,c)\neq0$, and that $F_x$, $F_y$ and $F_z$ are continuous inside the sphere. Then near $(a,b,c)$ the equation $F(x,y,z)=0$ defines $z$ as a differentiable function of $x$ and $y$, whose partial derivatives are given by (6).

예제 답안 · Worked Examples

EXAM 1 매개곡선 위에서의 변화율 Rate of Change along a Parametrized CurveExample 1 · p.1024
한국어

$z=x^2y+3xy^4$ 이고 $x=\sin 2t$, $y=\cos t$ 일 때, $t=0$ 에서의 $dz/dt$ 의 값을 구하라.

풀이. $x,y$가 모두 한 변수 $t$의 함수이므로 경우 1이 적용된다. $z_x=2xy+3y^4$, $z_y=x^2+12xy^3$이고, $dx/dt=2\cos 2t$, $dy/dt=-\sin t$이므로

$$\frac{dz}{dt}=(2xy+3y^4)(2\cos 2t)+(x^2+12xy^3)(-\sin t).$$

$t=0$일 때 $x=\sin 0=0$, $y=\cos 0=1$이다. 이 값을 대입하면 첫째 괄호는 $2(0)(1)+3(1)^4=3$, 둘째 괄호는 $0^2+12(0)(1)^3=0$이 되므로

$$\left.\frac{dz}{dt}\right|_{t=0}=3\,(2\cos 0)+0\,(-\sin 0)=3\cdot 2+0=6.$$

따라서 $dz/dt|_{t=0}=6$이다.

English

Let $z=x^2y+3xy^4$, where $x=\sin 2t$ and $y=\cos t$. Evaluate $dz/dt$ at $t=0$.

Solution. Since $x$ and $y$ are both functions of the single variable $t$, Case 1 applies. Here $z_x=2xy+3y^4$, $z_y=x^2+12xy^3$, while $dx/dt=2\cos 2t$ and $dy/dt=-\sin t$, so

$$\frac{dz}{dt}=(2xy+3y^4)(2\cos 2t)+(x^2+12xy^3)(-\sin t).$$

At $t=0$, $x=\sin 0=0$ and $y=\cos 0=1$. Substituting, the first bracket becomes $2(0)(1)+3(1)^4=3$ and the second becomes $0^2+12(0)(1)^3=0$, so

$$\left.\frac{dz}{dt}\right|_{t=0}=3\,(2\cos 0)+0\,(-\sin 0)=3\cdot 2+0=6.$$

Hence $dz/dt|_{t=0}=6$.

EXAM 2 이상기체의 압력 변화율 Rate of Change of Pressure for an Ideal GasExample 2 · p.1024–1025
한국어

1몰의 이상기체에서 압력 $P$ (킬로파스칼), 부피 $V$ (리터), 온도 $T$ (켈빈) 사이에는 관계식 $PV=8.31T$ 가 성립한다. 온도가 $300$ K이고 초당 $0.1$ K의 비율로 오르며, 같은 순간 부피가 $100$ L이고 초당 $0.2$ L의 비율로 늘어나고 있을 때, 압력이 변하는 비율을 구하라.

풀이. $PV=8.31T$에서 $P=8.31T/V$이고, $T,V$가 모두 시간 $t$의 함수이므로 경우 1을 적용하면

$$\frac{dP}{dt}=\frac{\partial P}{\partial T}\,\frac{dT}{dt}+\frac{\partial P}{\partial V}\,\frac{dV}{dt}=\frac{8.31}{V}\,\frac{dT}{dt}-\frac{8.31\,T}{V^2}\,\frac{dV}{dt}.$$

주어진 순간에 $T=300$, $dT/dt=0.1$, $V=100$, $dV/dt=0.2$이므로 대입하면

$$\frac{dP}{dt}=\frac{8.31}{100}(0.1)-\frac{8.31(300)}{100^2}(0.2)=0.00831-0.04986=-0.04155.$$

값이 음수이므로 그 순간 압력은 초당 $0.04155$ kPa, 곧 약 $0.042$ kPa의 비율로 감소하고 있다.

English

For one mole of an ideal gas the pressure $P$ (in kilopascals), the volume $V$ (in liters) and the temperature $T$ (in kelvins) are related by $PV=8.31T$. Find the rate at which the pressure is changing at the instant when the temperature is $300$ K and rising at $0.1$ K/s while the volume is $100$ L and increasing at $0.2$ L/s.

Solution. From $PV=8.31T$, $P=8.31T/V$, and since both $T$ and $V$ are functions of time $t$, Case 1 gives

$$\frac{dP}{dt}=\frac{\partial P}{\partial T}\,\frac{dT}{dt}+\frac{\partial P}{\partial V}\,\frac{dV}{dt}=\frac{8.31}{V}\,\frac{dT}{dt}-\frac{8.31\,T}{V^2}\,\frac{dV}{dt}.$$

At the instant in question $T=300$, $dT/dt=0.1$, $V=100$, $dV/dt=0.2$, so

$$\frac{dP}{dt}=\frac{8.31}{100}(0.1)-\frac{8.31(300)}{100^2}(0.2)=0.00831-0.04986=-0.04155.$$

The value is negative, so at that instant the pressure is falling at $0.04155$ kPa/s, about $0.042$ kPa/s.

EXAM 3 두 독립변수에 대한 편도함수 Partial Derivatives with Two Independent VariablesExample 3 · p.1025
한국어

$z=e^{x}\sin y$ 이고 $x=st^2$, $y=s^2t$ 일 때, 두 편도함수 $\partial z/\partial s$ 와 $\partial z/\partial t$ 를 $s,t$ 만의 식으로 구하라.

풀이. $x,y$가 모두 $s,t$의 함수이므로 경우 2를 적용한다. $z_x=e^x\sin y$, $z_y=e^x\cos y$이고, $x=st^2$에서 $x_s=t^2$, $x_t=2st$, $y=s^2t$에서 $y_s=2st$, $y_t=s^2$이므로

$$\frac{\partial z}{\partial s}=z_x\,x_s+z_y\,y_s=t^2e^{x}\sin y+2st\,e^{x}\cos y,$$
$$\frac{\partial z}{\partial t}=z_x\,x_t+z_y\,y_t=2st\,e^{x}\sin y+s^2e^{x}\cos y.$$

$x=st^2$, $y=s^2t$를 대입하여 $s,t$만의 식으로 정리하면

$$\frac{\partial z}{\partial s}=t^2e^{st^2}\sin(s^2t)+2st\,e^{st^2}\cos(s^2t),$$
$$\frac{\partial z}{\partial t}=2st\,e^{st^2}\sin(s^2t)+s^2e^{st^2}\cos(s^2t).$$
English

Let $z=e^{x}\sin y$, where $x=st^2$ and $y=s^2t$. Find $\partial z/\partial s$ and $\partial z/\partial t$, expressed in terms of $s$ and $t$ alone.

Solution. Since $x$ and $y$ are both functions of $s$ and $t$, Case 2 applies. Here $z_x=e^x\sin y$, $z_y=e^x\cos y$, and from $x=st^2$, $x_s=t^2$, $x_t=2st$, while from $y=s^2t$, $y_s=2st$, $y_t=s^2$, so

$$\frac{\partial z}{\partial s}=z_x\,x_s+z_y\,y_s=t^2e^{x}\sin y+2st\,e^{x}\cos y,$$
$$\frac{\partial z}{\partial t}=z_x\,x_t+z_y\,y_t=2st\,e^{x}\sin y+s^2e^{x}\cos y.$$

Substituting $x=st^2$ and $y=s^2t$ to express the result in terms of $s$ and $t$ alone gives

$$\frac{\partial z}{\partial s}=t^2e^{st^2}\sin(s^2t)+2st\,e^{st^2}\cos(s^2t),$$
$$\frac{\partial z}{\partial t}=2st\,e^{st^2}\sin(s^2t)+s^2e^{st^2}\cos(s^2t).$$
EXAM 4 일반형 연쇄법칙 쓰기 Writing Out the General Chain RuleExample 4 · p.1026
한국어

$w=f(x,y,z,t)$ 이고 네 변수 $x,y,z,t$ 가 각각 $u$ 와 $v$ 의 함수 $x=x(u,v)$, $y=y(u,v)$, $z=z(u,v)$, $t=t(u,v)$ 일 때, 이 경우에 해당하는 연쇄법칙을 모두 써 내라. (모든 함수는 미분가능하다고 가정한다.)

w x y z t u v u v u v u v ∂w/∂x ∂w/∂y ∂w/∂z ∂w/∂t ∂x/∂u ∂x/∂v ∂y/∂u ∂y/∂v ∂z/∂u ∂z/∂v ∂t/∂u ∂t/∂v

풀이. 이 상황은 일반형 연쇄법칙에서 중간변수가 $n=4$개($x,y,z,t$), 독립변수가 $m=2$개($u,v$)인 경우이다. 종속변수 $w$에서 각 중간변수로 가지가 뻗고, 그 네 중간변수 각각에서 다시 $u$와 $v$로 가지가 뻗는 위 그림의 수형도를 보면, $w$에서 $u$로 가는 경로가 넷, $w$에서 $v$로 가는 경로도 넷임을 알 수 있다. 정리 3에 따라 각 경로의 편도함수 곱을 모두 더하면

$$\frac{\partial w}{\partial u}=\frac{\partial w}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial u}+\frac{\partial w}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial u}+\frac{\partial w}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial u}+\frac{\partial w}{\partial t}\frac{\partial t}{\partial u},$$
$$\frac{\partial w}{\partial v}=\frac{\partial w}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial v}+\frac{\partial w}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial v}+\frac{\partial w}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial v}+\frac{\partial w}{\partial t}\frac{\partial t}{\partial v}$$

를 얻는다. 각 식에는 중간변수의 개수와 같은 네 항이 있다.

English

Suppose $w=f(x,y,z,t)$, where each of the four variables is a function of $u$ and $v$: $x=x(u,v)$, $y=y(u,v)$, $z=z(u,v)$ and $t=t(u,v)$. Assuming all the functions are differentiable, write out the Chain Rule for this case.

w x y z t u v u v u v u v ∂w/∂x ∂w/∂y ∂w/∂z ∂w/∂t ∂x/∂u ∂x/∂v ∂y/∂u ∂y/∂v ∂z/∂u ∂z/∂v ∂t/∂u ∂t/∂v

Solution. This is the general Chain Rule with $n=4$ intermediate variables ($x,y,z,t$) and $m=2$ independent variables ($u,v$). The tree above, with branches from the dependent variable $w$ to each intermediate variable and from each of those four to $u$ and to $v$, shows there are four paths from $w$ to $u$ and four from $w$ to $v$. Theorem 3 sums the product of partial derivatives along each path:

$$\frac{\partial w}{\partial u}=\frac{\partial w}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial u}+\frac{\partial w}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial u}+\frac{\partial w}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial u}+\frac{\partial w}{\partial t}\frac{\partial t}{\partial u},$$
$$\frac{\partial w}{\partial v}=\frac{\partial w}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial v}+\frac{\partial w}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial v}+\frac{\partial w}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial v}+\frac{\partial w}{\partial t}\frac{\partial t}{\partial v}.$$

Each equation has four terms, one per intermediate variable.

EXAM 5 중간변수 셋·독립변수 셋 Three Intermediate and Three Independent VariablesExample 5 · p.1026
한국어

$u=x^4y+y^2z^3$ 이고 $x=rse^{t}$, $y=rs^2e^{-t}$, $z=r^2s\sin t$ 일 때, $r=2$, $s=1$, $t=0$ 에서의 $\partial u/\partial s$ 의 값을 구하라.

u x y z r s t r s t r s t ∂u/∂x ∂u/∂y ∂u/∂z ∂x/∂s ∂y/∂s ∂z/∂s

풀이. 중간변수가 $x,y,z$ 셋, 독립변수가 $r,s,t$ 셋인 경우이다. 위 수형도에서 색으로 강조한 것처럼 $u$에서 $s$로 가는 경로는 $u\to x\to s$, $u\to y\to s$, $u\to z\to s$의 셋이고, 일반형 연쇄법칙은 그 세 경로 각각의 편도함수 곱을 더한다.

$$\frac{\partial u}{\partial s}=\frac{\partial u}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial s}+\frac{\partial u}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial s}+\frac{\partial u}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial s}.$$

필요한 도함수는 $\partial u/\partial x=4x^3y$, $\partial u/\partial y=x^4+2yz^3$, $\partial u/\partial z=3y^2z^2$이고, $\partial x/\partial s=re^{t}$, $\partial y/\partial s=2rse^{-t}$, $\partial z/\partial s=r^2\sin t$이다.

$r=2,\,s=1,\,t=0$에서는 $x=2,\,y=2,\,z=0$이므로 $\partial u/\partial x=4(2)^3(2)=64$, $\partial u/\partial y=2^4+2(2)(0)^3=16$, $\partial u/\partial z=3(2)^2(0)^2=0$이고, $\partial x/\partial s=2e^{0}=2$, $\partial y/\partial s=2(2)(1)e^{0}=4$, $\partial z/\partial s=2^2\sin 0=0$이다.

세 경로의 값을 곱하여 더하면

$$\left.\frac{\partial u}{\partial s}\right|_{(2,1,0)}=64(2)+16(4)+0(0)=128+64+0=192.$$

따라서 $\partial u/\partial s=192$이다.

English

Let $u=x^4y+y^2z^3$, where $x=rse^{t}$, $y=rs^2e^{-t}$ and $z=r^2s\sin t$. Find the value of $\partial u/\partial s$ when $r=2$, $s=1$ and $t=0$.

u x y z r s t r s t r s t ∂u/∂x ∂u/∂y ∂u/∂z ∂x/∂s ∂y/∂s ∂z/∂s

Solution. There are three intermediate variables $x,y,z$ and three independent variables $r,s,t$. As the highlighted branches in the tree diagram above show, the paths from $u$ to $s$ are $u\to x\to s$, $u\to y\to s$ and $u\to z\to s$, and the general Chain Rule adds the product of partial derivatives along each of the three.

$$\frac{\partial u}{\partial s}=\frac{\partial u}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial s}+\frac{\partial u}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial s}+\frac{\partial u}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial s}.$$

The derivatives needed are $\partial u/\partial x=4x^3y$, $\partial u/\partial y=x^4+2yz^3$, $\partial u/\partial z=3y^2z^2$, together with $\partial x/\partial s=re^{t}$, $\partial y/\partial s=2rse^{-t}$, $\partial z/\partial s=r^2\sin t$.

At $r=2,\,s=1,\,t=0$ we have $x=2,\,y=2,\,z=0$, so $\partial u/\partial x=4(2)^3(2)=64$, $\partial u/\partial y=2^4+2(2)(0)^3=16$, $\partial u/\partial z=3(2)^2(0)^2=0$, while $\partial x/\partial s=2e^{0}=2$, $\partial y/\partial s=2(2)(1)e^{0}=4$, $\partial z/\partial s=2^2\sin 0=0$.

Multiplying and adding along the three paths,

$$\left.\frac{\partial u}{\partial s}\right|_{(2,1,0)}=64(2)+16(4)+0(0)=128+64+0=192.$$

Hence $\partial u/\partial s=192$.

EXAM 6 연쇄법칙으로 항등식 보이기 Proving an Identity with the Chain RuleExample 6 · p.1027
한국어

미분가능한 함수 $f$ 에 대하여 $g(s,t)=f(s^2-t^2,\;t^2-s^2)$ 로 정의하자. 이때 $g$ 가 다음 등식을 만족함을 보여라.

$$t\,\frac{\partial g}{\partial s}+s\,\frac{\partial g}{\partial t}=0.$$

증명. $x=s^2-t^2$, $y=t^2-s^2$로 두면 $g(s,t)=f(x,y)$이고 $x,y$는 모두 $s,t$의 함수이므로 경우 2가 적용된다. $x_s=2s$, $y_s=-2s$, $x_t=-2t$, $y_t=2t$이므로

$$g_s=f_x\,x_s+f_y\,y_s=2s\,f_x-2s\,f_y=2s(f_x-f_y),$$
$$g_t=f_x\,x_t+f_y\,y_t=-2t\,f_x+2t\,f_y=-2t(f_x-f_y).$$

따라서

$$t\,g_s+s\,g_t=t\cdot2s(f_x-f_y)+s\cdot\big({-2t}\big)(f_x-f_y)=2st(f_x-f_y)-2st(f_x-f_y)=0.$$
$\square$
English

Let $f$ be differentiable and put $g(s,t)=f(s^2-t^2,\;t^2-s^2)$. Show that $g$ satisfies the equation

$$t\,\frac{\partial g}{\partial s}+s\,\frac{\partial g}{\partial t}=0.$$

Proof. Write $x=s^2-t^2$ and $y=t^2-s^2$, so $g(s,t)=f(x,y)$ with $x,y$ both functions of $s,t$, and Case 2 applies. Since $x_s=2s$, $y_s=-2s$, $x_t=-2t$, $y_t=2t$,

$$g_s=f_x\,x_s+f_y\,y_s=2s\,f_x-2s\,f_y=2s(f_x-f_y),$$
$$g_t=f_x\,x_t+f_y\,y_t=-2t\,f_x+2t\,f_y=-2t(f_x-f_y).$$

Hence

$$t\,g_s+s\,g_t=t\cdot2s(f_x-f_y)+s\cdot\big({-2t}\big)(f_x-f_y)=2st(f_x-f_y)-2st(f_x-f_y)=0.$$
$\square$
EXAM 7 이계 편도함수의 연쇄법칙 The Chain Rule for a Second DerivativeExample 7 · p.1027
한국어

$z=f(x,y)$ 의 이계 편도함수가 모두 연속이라 하고 $x=r^2+s^2$, $y=2rs$ 라 하자. 다음을 $z$ 의 편도함수들로 나타내라.

(a) $\dfrac{\partial z}{\partial r}$

(b) $\dfrac{\partial^2 z}{\partial r^2}$

(a) $x,y$가 모두 $r,s$의 함수이므로 경우 2가 적용된다. $x_r=2r$, $y_r=2s$이므로

$$\frac{\partial z}{\partial r}=z_x\,x_r+z_y\,y_r=2r\,\frac{\partial z}{\partial x}+2s\,\frac{\partial z}{\partial y}.$$

(b) 위 식을 다시 $r$에 대해 미분한다. $z_x,z_y$는 여전히 $x,y$의 함수이므로 이들도 경우 2로 $r$에 대해 미분해야 한다. 곱미분법과 연쇄법칙을 함께 쓰면

$$\frac{\partial^2z}{\partial r^2}=2\frac{\partial z}{\partial x}+2r\frac{\partial}{\partial r}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)+2s\frac{\partial}{\partial r}\left(\frac{\partial z}{\partial y}\right).$$

여기서 $\partial z/\partial x$를 하나의 새 함수로 보고 경우 2를 적용하면 $\dfrac{\partial}{\partial r}\Big(\dfrac{\partial z}{\partial x}\Big)=\dfrac{\partial^2z}{\partial x^2}(2r)+\dfrac{\partial^2z}{\partial y\partial x}(2s)$이고, 같은 방식으로 $\dfrac{\partial}{\partial r}\Big(\dfrac{\partial z}{\partial y}\Big)=\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}(2r)+\dfrac{\partial^2z}{\partial y^2}(2s)$이다. $z$의 이계 편도함수가 모두 연속이므로 클레로 정리에 의해 $\dfrac{\partial^2z}{\partial y\partial x}=\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}$이고, 이를 대입해 정리하면

$$\frac{\partial^2z}{\partial r^2}=2\frac{\partial z}{\partial x}+4r^2\frac{\partial^2z}{\partial x^2}+8rs\frac{\partial^2z}{\partial x\partial y}+4s^2\frac{\partial^2z}{\partial y^2}.$$
English

Suppose $z=f(x,y)$ has continuous second-order partial derivatives, and let $x=r^2+s^2$ and $y=2rs$. Find expressions, in terms of the partial derivatives of $z$, for

(a) $\dfrac{\partial z}{\partial r}$

(b) $\dfrac{\partial^2 z}{\partial r^2}$

(a) Since $x$ and $y$ are both functions of $r$ and $s$, Case 2 applies. With $x_r=2r$ and $y_r=2s$,

$$\frac{\partial z}{\partial r}=z_x\,x_r+z_y\,y_r=2r\,\frac{\partial z}{\partial x}+2s\,\frac{\partial z}{\partial y}.$$

(b) Differentiate the last expression in $r$ once more. Since $z_x$ and $z_y$ are themselves functions of $x$ and $y$, they too must be differentiated in $r$ via Case 2. Combining the product rule with the Chain Rule,

$$\frac{\partial^2z}{\partial r^2}=2\frac{\partial z}{\partial x}+2r\frac{\partial}{\partial r}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)+2s\frac{\partial}{\partial r}\left(\frac{\partial z}{\partial y}\right).$$

Treating $\partial z/\partial x$ as a new function and applying Case 2 gives $\dfrac{\partial}{\partial r}\Big(\dfrac{\partial z}{\partial x}\Big)=\dfrac{\partial^2z}{\partial x^2}(2r)+\dfrac{\partial^2z}{\partial y\partial x}(2s)$, and likewise $\dfrac{\partial}{\partial r}\Big(\dfrac{\partial z}{\partial y}\Big)=\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}(2r)+\dfrac{\partial^2z}{\partial y^2}(2s)$. Because the second-order partials of $z$ are continuous, Clairaut's Theorem gives $\dfrac{\partial^2z}{\partial y\partial x}=\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}$, and substituting this and simplifying leaves

$$\frac{\partial^2z}{\partial r^2}=2\frac{\partial z}{\partial x}+4r^2\frac{\partial^2z}{\partial x^2}+8rs\frac{\partial^2z}{\partial x\partial y}+4s^2\frac{\partial^2z}{\partial y^2}.$$
EXAM 8 음함수로 정의된 곡선의 도함수 An Implicit DerivativeExample 8 · p.1028
한국어

방정식 $x^3+y^3=6xy$ 가 $y$ 를 $x$ 의 함수로 정의한다고 할 때, 공식 (5)를 이용하여 $y'$ 을 구하라.

풀이. $F(x,y)=x^3+y^3-6xy$로 두면 주어진 방정식은 $F(x,y)=0$이다. $F_x=3x^2-6y$, $F_y=3y^2-6x$이고, 공식 (5)는 $F_y\neq0$인 점, 곧 $y^2\neq2x$인 점에서 쓸 수 있다. 그런 점에서

$$y'=\frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y}=-\frac{3x^2-6y}{3y^2-6x}=-\frac{x^2-2y}{y^2-2x}.$$

따라서 $y'=-\dfrac{x^2-2y}{y^2-2x}$이다.

English

The equation $x^3+y^3=6xy$ defines $y$ implicitly as a function of $x$. Use formula (5) to find $y'$.

Solution. Let $F(x,y)=x^3+y^3-6xy$, so the given equation reads $F(x,y)=0$. Here $F_x=3x^2-6y$ and $F_y=3y^2-6x$, and formula (5) is available at any point where $F_y\neq0$, that is, where $y^2\neq2x$. At such a point

$$y'=\frac{dy}{dx}=-\frac{F_x}{F_y}=-\frac{3x^2-6y}{3y^2-6x}=-\frac{x^2-2y}{y^2-2x}.$$

Hence $y'=-\dfrac{x^2-2y}{y^2-2x}$.

EXAM 9 음함수로 정의된 곡면의 편도함수 Partial Derivatives of an Implicitly Defined SurfaceExample 9 · p.1029
한국어

방정식 $x^3+y^3+z^3+6xyz+4=0$ 이 $z$ 를 $x,y$ 의 함수로 정의한다고 할 때, 공식 (6)을 이용하여 $\partial z/\partial x$ 와 $\partial z/\partial y$ 를 구하라.

풀이. $F(x,y,z)=x^3+y^3+z^3+6xyz+4$로 두면 주어진 방정식은 $F(x,y,z)=0$이다. 편도함수는 $F_x=3x^2+6yz$, $F_y=3y^2+6xz$, $F_z=3z^2+6xy$이고, 공식 (6)은 $F_z\neq0$인 점, 곧 $z^2+2xy\neq0$인 점에서 쓸 수 있다. 그런 점에서

$$\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x}{F_z}=-\frac{3x^2+6yz}{3z^2+6xy}=-\frac{x^2+2yz}{z^2+2xy},$$
$$\frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{F_y}{F_z}=-\frac{3y^2+6xz}{3z^2+6xy}=-\frac{y^2+2xz}{z^2+2xy}.$$

같은 곡면을 §14.3 예제 5에서는 양변을 직접 편미분해 풀었다. 결과가 일치하며, 공식 (6)은 그 계산을 한 번에 정리한 것이다.

English

The equation $x^3+y^3+z^3+6xyz+4=0$ defines $z$ implicitly as a function of $x$ and $y$. Use formulas (6) to find $\partial z/\partial x$ and $\partial z/\partial y$.

Solution. Let $F(x,y,z)=x^3+y^3+z^3+6xyz+4$, so the given equation reads $F(x,y,z)=0$. Its partial derivatives are $F_x=3x^2+6yz$, $F_y=3y^2+6xz$, $F_z=3z^2+6xy$, and formulas (6) are available wherever $F_z\neq0$, that is, wherever $z^2+2xy\neq0$. At such a point

$$\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x}{F_z}=-\frac{3x^2+6yz}{3z^2+6xy}=-\frac{x^2+2yz}{z^2+2xy},$$
$$\frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{F_y}{F_z}=-\frac{3y^2+6xz}{3z^2+6xy}=-\frac{y^2+2xz}{z^2+2xy}.$$

The same surface was handled in §14.3, Example 5 by differentiating the equation directly; the answers agree, and formulas (6) simply package that computation.

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