多元函数微分学
偏导数
定义
设函数 $z = f(x,y) $ 在点 的某领域内有定义,且存在极限
则称此极限为函数 在点 处对 的偏导数,记为:
对 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 在区域 上连续,且其两个二阶混合偏导在 内存在且连续,那么这两偏导必然相等,即:
全微分
设函数 在点 的某领邻域内有定义,那么其在点 处的增量可表示为
其中, , 是定值。记 那么有:
其中 。
多元复合函数的求导法则
链式法则
- 如果函数 在点 处存在导数, 函数 在对应点 处存在连续偏导,则复合函数 在点 处可导,则有:
-
如果函数 都在点 处有对 的导数,函数 在对应点 有连续偏导数,则函数 在点 处的两个导数都存在,则:
形式不变性
设函数 以及函数 均可微,则复合函数可微分为:
隐函数的求导法则
设函数 满足条件
- 在点 的某一邻域内有连续偏导
则方程 在点 的某一邻域内能唯一确定函数 且有:
相关几何应用
平面曲线
平面曲线 点 为曲线上对应参数点 的一点,则曲线在点 处:
- 切向量:
- 切线方程:
- 法线方程:
平面曲线 ,那么在曲线上一点 处:
- 法向量:
- 切线方程:
- 法线方程:
空间曲线
空间曲线 点 为曲线上对应参数点 的一点,则曲线在点 处:
- 切向量:
- 切线方程:
- 法线方程:
若曲线方程为隐函数,如 不妨将其转换成参数方程,如 以简化计算
曲面
设曲线方程 点 为曲面上一点,若函数 在点 处有连续偏导且不为零,则在点 处:
- 法向量:
- 切平面:
- 法线:
方向导数与梯度
方向导数
定义:
-
设 是从点 发出的一条射线,方向角为 。
-
从点 出发沿着 经过距离 到达点 ,
则函数 在点 沿着 方向的方向导数为:
通过全微分可以得到:
对于 有:
于是可以得到:
梯度
设函数 在平面区域 内具有连续的偏导数,点 在 内
则向量 为函数 在点 处的梯度。
记作 或
设函数 在点 处可微分,方向 的方向角是 则 是与 同向的单位向量,那么就能得到:
多元函数的极值
无条件极值
定义:
设函数 的定义域为 为 的内点。
若有点 的某个邻域 ,在该邻域内,对 之外的任意点 都有:
则称 为函数 的极大值,点 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 在点 处具有有偏导数,且在该点处有极值,那么有:
极值的充分条件:
若函数 在点 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:
可以得到判别式: (通过 Hessian 矩阵算得)
- , 是极值,若 为极大值,若 为极小值。
- , 不是极值。
- , 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 及 均有连续的偏导数。 为条件极值点,且 ( 可类似讨论)。考虑函数 在条件 下的极值。在点 的一个邻域内可以确定函数 ,那么 是函数 的极值点。( 作为极值点同理)
那么(由费马引理)会有:
于是有:
将比值设为 ,于是就能得到:
那么令
就能得到:
与 联立即可求得点
上述方法即为拉格朗日数乘法。 为拉格朗日函数, 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。