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第十三章 偏导数与全微分
引言:从本章开始引入多元函数的微分理论。即将一元函数
的导数和微分的概念推广到多元函数,形成多元函数的偏导数和微分,并进一步研究多元函数的微分性质及其在几何上的应用。
§1 偏导数和全微分的基本概念
偏导数
一元函数导数引入背景和意义:切线、速度――-函数的变
化率。
以二元函数为例引入多元函数的相关概念。在区域D上给定
二元函数f(x,y),任取点p(x,y),考察在此点自变量的改变所引起的函数的变化。先考虑一种最简单的情形:单个变量的变化所引起的函数的改变。不妨仅考虑只在x方向上发生改变,设改变量为,即变量由点p(x,y)变到点q(),,则引起的函数的改变量为,由于这一改变量是仅由一个变量x而不是所有变量的变化所引起的,因而称为偏增量或关于x的偏增量。类似,可以定义关于y的偏增量
。
现在,考虑这些偏增量关于相应变量的变化率,类似一元函数的导数的概念,给出如下定义。
定义1.1 若 =存在,称此极限为在点p(x,y)关于的偏导数, 记为 或 。
注: 由定义可知,注意到极限的唯一性,在点p(x,y)关于的偏导数是点p(x,y)的函数,因此,也记为 (p)= 或(p)=.简写为、。类似可以定义关于y的偏导数,。
注:偏导数的含义:仅考虑一个变量的改变对函数增量的变化率。如对三元函数u=f(x,y,z),可以定义三个偏导数,即
类似,可以推广至任意元函数。
偏导数的计算:关于偏导数的计算,通常有两种处理方式,(1)、对由一个初等函数给出的表达式,用一元函数的求导法;如计算关于x的偏导数时,由于在其余方向上变量没有发生变化,相对于x可以视为常量,因此,只需对x求导即可。(2)、即特殊点处的定义方法,如对分段函数,在分段点处用定义计算。
例1:,求, ,及,
解:将y视为常量,关于变量x求导,即得u关于x 的偏导数,即
,
因而,。类似,,因而。
例2:,求, ,。
解、计算可得
,
.
例3:,求, 。
解、计算得 , 。
注、上述的计算在相应的定义域内都成立。
例4: 求,
解、对点p(x,y): ,计算得
,
在点(0,0),用定义计算为
,
,
故,
,
。
偏导与连续:
我们知道,对一元函数,可导必连续。但,对多元函数,这个结论不再成立。以二元函数为例,设u=f(x,y)关于x的偏导数存在,由定义,是指将y视为常量时关于x可导,因而能保证关于x连续,同样,若f关于y的偏导数存在,能保证关于y的连续性,我们还知道,关于两个变量分别连续的函数并不一定是二元连续函数,即偏导数存在,甚至两个偏导的同时存在性,不能保证二元函数的连续性。如上例4: ,但在点不连续。
偏导数的几何意义:一元函数的导数的几何意义为函数曲线的切线斜率。同样,对二元函数,由于在几何上,表示空间曲面,设,,考察 ,,由定义=,若记一元函数,几何意义为曲面与平面的交线,则由于==,
因而,表示曲线在的斜率,注意到曲线 为交线C:
故,偏导数的几何意义为曲线C在点处对x
轴的切线斜率;
的几何意义类似。
全微分
和导数不同,一元函数的全微分考察的是函数增量和自变量
增量之间的绝对关系,即二者之间是否存在主要的线性关系,也即,在x点可微, ,微分是指存在实数A,使得 ,此时或 。
现在,将上述微分定义推广至多元函数,仍以二元函数为例。
给定二元函数,考虑、同时变化对的影响。设在点p处,两个自变量的改变量为、,即变量由点p(x,y)变化至点q(),则函数的增量为
-,
由于这个增量是由全部的两个变量同时改变所引起的,因而,也称此增量为函数u的全增量。类似一元函数可微的定义,考虑全增量和两个自变量之间是否存在主线性关系,引入二元函数可微的定义。
定义1.2 若存在、(仅与有关) 使 ,称在点可微,称为在的全微分记为du或
df,因而。
由定义可知,多元函数的可微和一元函数的可微,其实质都是考察函数增量和自变量是否存在主线性关系。但要注意由一元函数的可微定义推广到二元函数的可微定义时,其形式的变化和区别,特别是无穷小量的形式,若记,则是刻划自变量的改变量大小的绝对量,因此,这个无穷小量是全部变量改变量大小的无穷小量。由此,可微的定义可以推广到任意的n元函数。如u=f(x,y,z)可微是指存在A、B、C,使得
其中。
下面,将一元函数可微与连续性的关系及可微的必要条件进行推广。
定理1.1(可微的必要条件)设函数u=f(x,y)在点p()可微,则函数u在点p关于x、y的偏导数都存在,且
。(
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