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第九章 多元函数微分学
【本章重要知识点】
1.理解多元函数的概念,了解二元函数的极限与连续以及有界闭区域上连续函数的性质。
2.理解偏导数和全微分的概念, 了解全微分存在的必要条件和充分条件。
3.理解方向导数和梯度的概念,并掌握其计算方法。
4.掌握复合函数一阶、二阶偏导数的求法。
5.掌握隐函数的偏导数的求法。
6.了解曲线的切线和法平面及曲面的切平面和法线的概念,掌握它们的方程的求法。
7.理解多元函数极值和条件极值的概念,二元函数极值存在的必要条件,二元函数极值的充分条件,掌握多元函数的极值和条件极值的求法,会求简单函数的最大值和最小值,会解一些简单应用题。
第一节 多元函数的概念、极限和连续
一、主要内容
1 多元函数的概念
(1)二元函数的概念:设D是平面上一点集,f 是一对应规则,若对D内每一点,变量z按照对应法则 f 总有确定的值与之对应,则称z是变量 的二元函数,记为。定义域: 点集D;值域:
(2)二元函数的几何意义:二元函数在几何上表示空间曲面
(3)多元函数的概念:当时,元函数统称为多元函数.
2 二元函数的极限
设函数在区域 D 内有定义,若对任意给定的正数,总存在正数,当时,恒有成立,则称常数 A 为当时的极限.记作:
注:对于二元函数在点存在极限动点沿任意一条曲线(或点列)无限趁近于点,二元函数都存在极限并且都是A.
3 二元函数的连续
(1)二元函数的连续的定义:
设二元函数满足条件:①在点的某邻域内有定义;②存在;③,则称函数在点处连续,否则称函数在点处间断,点为函数的间断点.
若函数在区域D内每一点都连续,则称函数在区域D内连续.
(2)有界闭区域上二元连续函数的性质:
性质1(最大值和最小值定理)在有界闭区域D上的连续函数,一定能够取得最大值和最小值.
性质2(介值定理)在有界闭区域D上的连续函数,一定能够取得介于最大值和最小值之间的任何数值.
结论:二元初等函数在其定义区域内连续.
二、典型例题
例1:求的定义域.
解:
所求定义域为
例2. 证明极限不存在.
分析 要正明函数当时极限不存在,一般常用的方法证明当路径不同时,极限不同.
证明 考虑点沿曲线趋向于时,所得的极限为,这个数依赖于m,因此函数的极限不存在.
第二节 偏导数
一、主要内容
1 偏导数的概念
(1)定义:设二元函数在点的某邻域内有定义,当固定,而在处有增量时,若极限存在,则称此极限值为函数在点处对的偏导数.记作 ;类似定义函数对于的偏导数为,记作
若函数在区域D内每一点对(或)的偏导数都存在,偏导数就是的函数,称为函数对(或)的偏导函数,记作 ()。
说明: 偏导函数的概念可以推广到二元以上的函数.
(2)偏导数的几何意义
设是曲面上一点,则偏导数就是曲面被平面所截得的曲线在点处的切线对轴的斜率;偏导数就是曲面被平面所截得的曲线在点处的切线对轴的斜率.
(3)偏导数存在与连续的关系
一元函数中在某点可导,函数在该点一定连续,但多元函数中在某点偏导数存在,函数未必连续。
(4) 高阶偏导数
函数的二阶偏导数为
纯偏导
混合偏导
二阶及二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数.
如果函数的两个二阶混合偏导数及在区域 D内连续,那末在该区域内这两个二阶混合偏导数必相等.
2多元复合函数求导法则
如果函数和在点的偏导数及都存在,且在对应的点处,函数可微,则复合函数对及的偏导数都存在,且
说明: 链导法则可推广到三元及三元以上的函数..
3隐函数的求导法则
(1)一个方程的情形
设方程确定函数,则 或
设方程确定二元隐函数,则 ,
(2)方程组的情形
设、能唯一确定一组单值连续且具有连续偏导数的函数,,则有
二、典型例题
例1 设函数由方程确定,求
解 方程两边分别对求导,得
第一式两端乘以3并与第二式相加,得
由此解得,
注:对多元函数求关于某一个自变量的偏导数时,只需视其它变量为常数,根据一元函数的求导公式和求导法则,求导即可.
例2 设而都是可微函数求
解:所以u对t的导数是全导数
,
即:.
例3 设,,,其中都具有一阶连续偏导数,且,求.
解: 分别求偏导数得:
(3)代入(2)
(3)代入(1)
例4设是由方程,确定的隐函数,其中有二阶连续偏导数,求.
解: 方程两边对求偏导
,
代入上式并整理得:
例5:设,,求 ,,和.
解1:直接代入公式;
解2:运用公式推导的方法,将所给方程的两边对求导并移项得
在的条件下,
将所给方程的两边对求导,用同样的方法可得
第三节 全微分
一、主要内容
1全微分的定义
如果函数在点的全增
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