Definitionen und Notationen partieller Ableitungen zweiter Ordnung
Es werden Beispiele mit detaillierten Lösungen zur Berechnung von partiellen Ableitungen zweiter Ordnung vorgestellt.
Für eine Funktion mit zwei Variablen \( f(x, y) \) können wir vier partielle Ableitungen zweiter Ordnung zusammen mit ihren Standardnotationen definieren:
\[ \begin{aligned} \dfrac{\partial^2 f}{\partial x^2} &= \dfrac{\partial}{\partial x} \left( \dfrac{\partial f}{\partial x} \right) = \dfrac{\partial}{\partial x} (f_x) = (f_x)_x = f_{xx} \\\\ \dfrac{\partial^2 f}{\partial y^2} &= \dfrac{\partial}{\partial y} \left( \dfrac{\partial f}{\partial y} \right) = \dfrac{\partial}{\partial y} (f_y) = (f_y)_y = f_{yy} \\\\ \dfrac{\partial^2 f}{\partial y \partial x} &= \dfrac{\partial}{\partial y} \left( \dfrac{\partial f}{\partial x} \right) = \dfrac{\partial}{\partial y} (f_x) = (f_x)_y = f_{xy} \\\\ \dfrac{\partial^2 f}{\partial x \partial y} &= \dfrac{\partial}{\partial x} \left( \dfrac{\partial f}{\partial y} \right) = \dfrac{\partial}{\partial x} (f_y) = (f_y)_x = f_{yx} \end{aligned} \]Beispiele mit detaillierten Lösungen zu partiellen Ableitungen zweiter Ordnung
Klicken Sie auf jedes Beispiel, um dessen detaillierte Schritt-für-Schritt-Lösung anzuzeigen.
Beispiel 1
Bestimmen Sie \( f_{xx} \) und \( f_{yy} \), gegeben dass \( f(x, y) = \sin(xy) \).
Lösung zu Beispiel 1 anzeigen
Berechnung von \( f_{xx} \):
\[ f_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right) = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial}{\partial x}\sin(xy)\right) = \frac{\partial}{\partial x}(y \cos(xy)) = -y^2 \sin(xy) \]Berechnung von \( f_{yy} \):
\[ f_{yy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right) = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial}{\partial y}\sin(xy)\right) = \frac{\partial}{\partial y}(x \cos(xy)) = -x^2 \sin(xy) \]Beispiel 2
Bestimmen Sie \( f_{xx} \), \( f_{yy} \), \( f_{xy} \) und \( f_{yx} \), gegeben dass \( f(x, y) = x^3 + 2xy \).
Lösung zu Beispiel 2 anzeigen
Berechnung von \( f_{xx} \):
\[ f_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right) = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial}{\partial x}(x^3 + 2xy)\right) = \frac{\partial}{\partial x}(3x^2 + 2y) = 6x \]Berechnung von \( f_{yy} \):
\[ f_{yy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right) = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial}{\partial y}(x^3 + 2xy)\right) = \frac{\partial}{\partial y}(2x) = 0 \]Berechnung von \( f_{xy} \):
\[ f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y\partial x} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right) = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial}{\partial x}(x^3 + 2xy)\right) = \frac{\partial}{\partial y}(3x^2 + 2y) = 2 \]Berechnung von \( f_{yx} \):
\[ f_{yx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x\partial y} = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right) = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial}{\partial y}(x^3 + 2xy)\right) = \frac{\partial}{\partial x}(2x) = 2 \]Beispiel 3
Bestimmen Sie \( f_{xx} \), \( f_{yy} \), \( f_{xy} \) und \( f_{yx} \), gegeben dass \( f(x, y) = x^3y^4 + x^2y \).
Lösung zu Beispiel 3 anzeigen
Berechnung von \( f_{xx} \):
\[ f_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right) = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial}{\partial x}(x^3y^4 + x^2y)\right) = \frac{\partial}{\partial x}(3x^2y^4 + 2xy) = 6xy^4 + 2y \]Berechnung von \( f_{yy} \):
\[ f_{yy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right) = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial}{\partial y}(x^3y^4 + x^2y)\right) = \frac{\partial}{\partial y}(4x^3y^3 + x^2) = 12x^3y^2 \]Berechnung von \( f_{xy} \):
\[ f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y\partial x} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right) = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial}{\partial x}(x^3y^4 + x^2y)\right) = \frac{\partial}{\partial y}(3x^2y^4 + 2xy) = 12x^2y^3 + 2x \]Berechnung von \( f_{yx} \):
\[ f_{yx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x\partial y} = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right) = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial}{\partial y}(x^3y^4 + x^2y)\right) = \frac{\partial}{\partial x}(4x^3y^3 + x^2) = 12x^2y^3 + 2x \]