多元函数微分学

偏导数

定义

设函数 $z = f(x,y) $ 在点 (x0,y0) 的某领域内有定义,且存在极限

limΔx0f(x0+Δx,y0)f(x0,y0)Δx

则称此极限为函数 z=f(x,y) 在点 (x0,y0) 处对 x 的偏导数,记为:

zx|x=x0,y=y0  zx(x0,y0)

y 的偏导同理。

计算 : 在计算多元函数对某一变量的偏导时,将多元函数看成这一个变量的函数,将其他变量视为常量,按照一元函数求导计算;对于直接求导难以得到答案的情况,也可以直接以极限的方式求偏导。

高阶偏导

对于高阶偏导,存在一定理:

设函数 z=f(x,y) 在区域 D 上连续,且其两个二阶混合偏导在 D 内存在且连续,那么这两偏导必然相等,即:

fxy(x,y)=fyx(x,y)

全微分

设函数 z=f(x,y) 在点 (x,y) 的某领邻域内有定义,那么其在点 (x,y) 处的增量可表示为

Δz=f(x+Δx,y+Δy)f(x,y)Δz=AΔx+BΔy+o(ρ)

其中,ρ=Δx2+Δy2A,B 是定值。记 dx=Δx,dy=Δy 那么有:

dz=Adx+Bdy

其中 A=zx,B=zy

多元复合函数的求导法则

链式法则

  • 如果函数 u=ϕ(t),v=ψ(t) 在点 t 处存在导数, 函数 z=f(u,v) 在对应点 (u,v) 处存在连续偏导,则复合函数 z=f[ϕ(t),ψ(t)] 在点 t 处可导,则有:
dzdt = zududt+zvdvdt
  • 如果函数 u=φ(x,y), v=ψ(x,y) 都在点 (x,y) 处有对 x,y 的导数,函数 z=f(u,v) 在对应点 (u,v) 有连续偏导数,则函数 z=f(φ,ψ) 在点 (x,y) 处的两个导数都存在,则:

    dzdx = zududx+zvdvdxdzdy = zududy+zvdvdy

形式不变性

设函数 z=f(u,v) 以及函数 u=φ(x,y), v=ψ(x,y) 均可微,则复合函数可微分为:

dz=zxdx+zydydz=zudu+zvdv

隐函数的求导法则

设函数 F(x,y) 满足条件

  • F(x,y) 在点 (x0,y0) 的某一邻域内有连续偏导
  • F(x,y)=0
  • Fy(x0,y0)0

则方程 F(x,y)=0 在点 (x0,y0) 的某一邻域内能唯一确定函数 y=f(x) 且有:

dydx=FxFy

相关几何应用

平面曲线

平面曲线 x=φ(t),y=ψ(t)M0(x0,y0) 为曲线上对应参数点 t=t0 的一点,则曲线在点 M0 处:

  • 切向量: T=(φ(t0),ψ(t0))
  • 切线方程: xx0φ(t0)=yy0ψ(t0)
  • 法线方程:φ(t0)(xx0)+ψ(t0)(yy0)=0

平面曲线 F(x,y)=0,那么在曲线上一点 M0(x0,y0) 处:

  • 法向量:n=(Fx(x0,y0),Fy(x0,y0))
  • 切线方程:Fx(x0,y0)(xx0)+Fy(x0,y0)(yy0)=0
  • 法线方程:xx0Fx(x0,y0)=yy0Fy(x0,y0)

空间曲线

空间曲线 x=φ(t),y=ψ(t)z=ω(t)M0(x0,y0,z0) 为曲线上对应参数点 t=t0 的一点,则曲线在点 M0 处:

  • 切向量: T=(φ(t0),ψ(t0),ω(t0))
  • 切线方程: xx0φ(t0)=yy0ψ(t0)=zz0ω(t0)
  • 法线方程:φ(t0)(xx0)+ψ(t0)(yy0)+ω(t0)(zz0)=0

若曲线方程为隐函数,如 F(x,y,z)=0,G(x,y,z)=0 不妨将其转换成参数方程,如 x=x,y=y(x),z=z(x) 以简化计算

曲面

设曲线方程 F(x,y,z)=0P0(x0,y0,z0) 为曲面上一点,若函数 F(x,y,z) 在点 (x0,y0,z0) 处有连续偏导且不为零,则在点 P0 处:

  • 法向量: n=(Fx(P0),Fy(P0),Fz(P0))
  • 切平面:Fx(P0)(xx0)+Fy(P0)(yy0)+Fz(P0)(zz0)=0
  • 法线:xx0Fx(P0)=yy0Fy(P0)=zz0Fz(P0)

方向导数与梯度

方向导数

定义

  • l 是从点 P0(x0,y0) 发出的一条射线,方向角为 α,β

  • 从点 P0 出发沿着 l 经过距离 t 到达点 P(x0+tcosα,y0+tcosβ)

则函数 f(x,y) 在点 P0 沿着 l 方向的方向导数为:

fl|(x0,y0)=limt0+f(x0+tcosα,y0+tcosβ)f(x0,y0)t

通过全微分可以得到: df=fx(x,y)dx+fy(x,y)dy

对于 dx,dy 有:dx=dl·cosα,dy=dl·cosβ

于是可以得到fl=fx(x,y)cosα+fy(x,y)cosβ

梯度

设函数 f(x,y) 在平面区域 D 内具有连续的偏导数,点 P0(x0,y0)D

则向量 fx(x0,y0)i+fy(x0,y0)j 为函数 f(x,y) 在点 P0 处的梯度。

记作 gradf(x0,y0)f(x0,y0)

设函数 f(x,y) 在点 P0(x0,y0) 处可微分,方向 l 的方向角是 α,βel=(cosα,cosβ) 是与 l 同向的单位向量,那么就能得到:

fl=fx(x,y)cosα+fy(x,y)cosβfl=f(x,y)·el

多元函数的极值

无条件极值

定义:

设函数 z=f(x,y) 的定义域为 DP0(x0,y0)D 的内点。

若有点 P0(x0,y0) 的某个邻域 U(P0) ,在该邻域内,对 P0 之外的任意点 P(x,y) 都有:

f(x,y)<f(x0,y0)

则称 f(x0,y0) 为函数 f(x,y) 的极大值,点 P0 称为极大值点。极小值同理。

极大值和极小值统称极值,极大值点和极小值点统称极值点。

极值的必要条件:

若函数 z=f(x,y) 在点 (x0,y0) 处具有有偏导数,且在该点处有极值,那么有:

fx(x0,y0)=fy(x0,y0)=0

极值的充分条件:

若函数 z=f(x,y) 在点 (x0,y0) 的某一邻域内有连续的一阶偏导和二阶偏导,且一阶偏导为零,那么将几个二阶偏导记为:

fxx(x0,y0)=A, fxy(x0,y0)=B, fyy(x0,y0)=C

可以得到判别式:ACB2 (通过 Hessian 矩阵算得)

  • ACB2>0f(x0,y0) 是极值,若 A<0 为极大值,若 A>0 为极小值。
  • ACB2<0f(x0,y0) 不是极值。
  • ACB2=0f(x0,y0) 无法确定是否为极值,需要另外讨论。

条件极值和拉格朗日数乘法

若函数 f(x,y)φ(x,y) 均有连续的偏导数。(x0,y0) 为条件极值点,且 φy(x0,y0)0 (φx(x0,y0)0 可类似讨论)。考虑函数 f(x,y) 在条件 φ(x,y)=0 下的极值。在点 (x0,y0) 的一个邻域内可以确定函数 y=y(x) ,那么 x=x0 是函数 f(x,y(x)) 的极值点。(x=x(y),y=y0 作为极值点同理)

那么(由费马引理)会有:

df(x,y(x))dx|x=x0=fx(x0,y0)+fy(x0,y0)·dydx|x=x0=0.dydx|x=x0=φx(x0,y0)φy(x0,y0)

于是有:

fx(x0,y0)φx(x0,y0)=fy(x0,y0)φy(x0,y0)

将比值设为λ ,于是就能得到:

fx(x0,y0)+λφx(x0,y0)=0fy(x0,y0)+λφy(x0,y0)=0

那么令 L(x,y)=f(x,y)+λφ(x,y)

就能得到:

Lx(x0,y0)=0Ly(x0,y0)=0

φ(x0,y0)=0 联立即可求得点 (x0,y0)

上述方法即为拉格朗日数乘法L(x,y) 为拉格朗日函数,λ 为拉格朗日乘数。

在遇到存在多个限制条件时,可引入多个拉格朗日乘数参与计算。