Task. Find the partial derivatives of
f ( x , y ) = x y x 2 + y 2 . f(x, y) = \frac{x y}{\sqrt{x^2 + y^2}}. f ( x , y ) = x 2 + y 2 x y .
Solution. We will use the following two formulas:
( f g ) ′ = f ′ g − f g ′ g 2 \left(\frac{f}{g}\right)' = \frac{f' g - f g'}{g^2} ( g f ) ′ = g 2 f ′ g − f g ′ x ′ = ( x 1 / 2 ) ′ = 1 2 x 1 2 − 1 = 1 2 x − 1 2 = 1 2 x . \sqrt{x'} = (x^{1/2})' = \frac{1}{2} x^{\frac{1}{2} - 1} = \frac{1}{2} x^{-\frac{1}{2}} = \frac{1}{2\sqrt{x}}. x ′ = ( x 1/2 ) ′ = 2 1 x 2 1 − 1 = 2 1 x − 2 1 = 2 x 1 . f x ′ ( x , y ) = ( x y x 2 + y 2 ) x ′ = ( x y ) x ′ x 2 + y 2 − x y ( x 2 + y 2 ) x ′ x 2 + y 2 = y x 2 + y 2 − x y ( x 2 + y 2 ) x ′ 2 x 2 + y 2 x 2 + y 2 = y x 2 + y 2 − x y 2 x 2 x 2 + y 2 x 2 + y 2 = y ( x 2 + y 2 ) − x 2 y ( x 2 + y 2 ) x 2 + y 2 = y x 2 + y 3 − x 2 y ( x 2 + y 2 ) 3 2 = y 3 ( x 2 + y 2 ) 3 2 \begin{aligned}
f_x'(x, y) &= \left(\frac{x y}{\sqrt{x^2 + y^2}}\right)'_x = \frac{(x y)'_x \sqrt{x^2 + y^2} - x y (\sqrt{x^2 + y^2})'_x}{\sqrt{x^2 + y^2}} \\
&= \frac{y \sqrt{x^2 + y^2} - x y \frac{(x^2 + y^2)'_x}{2 \sqrt{x^2 + y^2}}}{x^2 + y^2} = \frac{y \sqrt{x^2 + y^2} - x y \frac{2 x}{2 \sqrt{x^2 + y^2}}}{x^2 + y^2} \\
&= \frac{y (x^2 + y^2) - x^2 y}{(x^2 + y^2) \sqrt{x^2 + y^2}} = \frac{y x^2 + y^3 - x^2 y}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}} = \frac{y^3}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}
\end{aligned} f x ′ ( x , y ) = ( x 2 + y 2 x y ) x ′ = x 2 + y 2 ( x y ) x ′ x 2 + y 2 − x y ( x 2 + y 2 ) x ′ = x 2 + y 2 y x 2 + y 2 − x y 2 x 2 + y 2 ( x 2 + y 2 ) x ′ = x 2 + y 2 y x 2 + y 2 − x y 2 x 2 + y 2 2 x = ( x 2 + y 2 ) x 2 + y 2 y ( x 2 + y 2 ) − x 2 y = ( x 2 + y 2 ) 2 3 y x 2 + y 3 − x 2 y = ( x 2 + y 2 ) 2 3 y 3
Since f ( x , y ) = f ( y , x ) f(x, y) = f(y, x) f ( x , y ) = f ( y , x ) , we have that
f y ′ ( x , y ) = f x ′ ( y , x ) = x 3 ( x 2 + y 2 ) 3 2 . f_y'(x, y) = f_x'(y, x) = \frac{x^3}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}. f y ′ ( x , y ) = f x ′ ( y , x ) = ( x 2 + y 2 ) 2 3 x 3 .
Answer.
f x ′ ( x , y ) = y 3 ( x 2 + y 2 ) 3 2 , f y ′ ( x , y ) = x 3 ( x 2 + y 2 ) 3 2 . f_x'(x, y) = \frac{y^3}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}, \qquad f_y'(x, y) = \frac{x^3}{(x^2 + y^2)^{\frac{3}{2}}}. f x ′ ( x , y ) = ( x 2 + y 2 ) 2 3 y 3 , f y ′ ( x , y ) = ( x 2 + y 2 ) 2 3 x 3 .