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南京信息工程大学 孟祥瑞
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§9. 2 偏 导 数
内容提要:偏导数的定义、计算、几何意义;高阶偏导数
重点分析:偏导数的计算
难点分析:多元函数偏导数与一元函数导数之间的联系与区别
因为多元函数的自变量不止一个,因变量与自变量的关系要比一元函数复杂得多。在本节中,我们首先考虑多元函数关于其中一个自变量的变化率。
一、偏导数的定义及其计算法
1、定义
一元函数 ,
二元函数
考虑,从,
偏增量
(p12)定义1 设函数在点的某一邻域内有定义,当固定在而在处有增量时,相应地函数有增量,如果存在,则称此极限为函数在点处对的偏导数,记为,,或。(也可记作)
即 。
注:偏导记号为一整体记号,不能拆分。
同理,为函数在点处对的偏导数,记为,,或。
如果函数在区域内任一点处对的偏导数都存在,那么这个偏导数就是、的函数,称为函数对自变量的偏导函(简称偏导数),
记作,,或。
同理,可以定义函数对自变量的偏导数,记作,,或。
显然有:,
即在点处对的偏导数等于偏导函数在点处的函数值。
偏导数的概念可以推广到二元以上函数,如在 处
例1 (与p14例1同类型) 求 在点处的偏导数。
解: ;
, 。
2、偏导数的几何意义
如图
几何意义:
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。(举一个几何意义的题)
3、偏导数存在与连续的关系
一元函数中在某点可导 连续,多元函数中在某点偏导数存在是否可得连续?
例如,函数,依定义知在处,。但函数在该点处并不连续。
故偏导数存在不能得到连续。
例2(p14例3) 设,求证 。
证:
原结论成立。
例3 设,求,。
解:
所以,不存在。
例4 设,求。
证: ;
令,
则。
例5 设,求。
证: ;
例6(书例5)已知理想气体的状态方程(为常数),求证:.
证:
求偏导数的方法:
1、求分界点、不连续点处的偏导数要用定义求;
如,设,求。
解:
2、用求导法则,先将偏导函数求出,再将点代入;
* 将一个自变量看作固定的,仍用一元函数微分法求,
如求,将暂看作常量而对求导数;
求,将暂看作常量而对求导数。
二、高阶偏导数
函数的二阶偏导数为
纯偏导
混合偏导
定义2:二阶及二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数。
例7(p16例6) 设,求、、、。
解:
例8 设,求二阶偏导数。
解:
观察上两例中二阶混合偏导函数间的关系:有=,这是偶然的吗?
问题:混合偏导数都相等吗?具备怎样的条件才相等?事实上,我们有下列定理:
定理 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.
即二阶混合偏导数在连续的条件下与求导次序无关。(可推广到高阶导数)
例9(p17例7) 验证函数满足拉普拉斯方程:。
解
例10(p17例8),求证。——拉普拉斯方程
证明(略,见书本p17)
例11 设,求、、。
解: ,
,,。
三、小结
1、偏导数的定义(偏增量比的极限)
2、偏导数的计算、偏导数的几何意义
3、高阶偏导数:纯偏导、混合偏导(相等的条件)
作业:p18,ex1(1)(4)(5)(7),ex4,ex6(2)(3),ex7
思考题:若函数在点连续,能否断定在点的偏导数必定存在?
思考题解答:
不能。例如, 在处连续, 但 不存在。
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