高数2 - 第14章 偏导数

24 年 3 月 23 日 星期六
1837 字
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第14章 偏导数

14.1 多元函数

  • 二元函数定义:实值二元函数ff将平面上某个集合DD中的每一个有序数对(x,y)(x,y)赋予一个唯一的实数f(x,y)f(x,y)
  • 二元函数的定义域DD:如果没有特别说明,则DD为函数规则有意义的所有(x,y)(x,y)的集合,称为函数的自然定义域。
  • 二元函数的值域:函数的所有取值的集合。
  • 如果z=f(x,y)z=f(x,y),称xxyy为自变量,zz为因变量。
  • 三元或多元函数的定义:类似地,可以定义三元或多元函数f(x,y,z)f(x,y,z)f(x1,x2,,xn)f(x_1,x_2,\dots,x_n)
  • 水平集:二元函数ff的水平集是方程f(x,y)=kf(x,y)=k的曲线,其中kkff的值域中的常数。这些曲线的集合称为等高线图。

14.2 极限与连续性

  • 二元函数极限的定义:

    设函数ff的定义域DD包含(a,b)(a,b)附近的点。如果对于任意ϵ>0\epsilon>0,存在δ>0\delta>0(可能依赖于f,ϵ,a,bf,\epsilon,a,b),使得当(x,y)D(x,y)\in D0<(x,y)(a,b)<δ0<\|(x,y)-(a,b)\|<\delta时,有f(x,y)L<ϵ|f(x,y)-L|<\epsilon,则称f(x,y)f(x,y)(x,y)(x,y)趋于(a,b)(a,b)时的极限为LL,记作

lim(x,y)(a,b)f(x,y)=L\lim_{(x,y)\to(a,b)}f(x,y)=L
  • 多元函数极限的定义可以类似地推广。

  • 定理:

    如果f(x,y)f(x,y)是多项式函数,则

lim(x,y)(a,b)f(x,y)=f(a,b)\lim_{(x,y)\to(a,b)}f(x,y)=f(a,b)

如果f(x,y)=p(x,y)q(x,y)f(x,y)=\frac{p(x,y)}{q(x,y)}是有理函数(p,qp,q是多项式),则

lim(x,y)(a,b)f(x,y)=p(a,b)q(a,b)\lim_{(x,y)\to(a,b)}f(x,y)=\frac{p(a,b)}{q(a,b)}

其中q(a,b)0q(a,b)\neq0

如果lim(x,y)(a,b)p(x,y)=L0\lim_{(x,y)\to(a,b)}p(x,y)=L\neq0lim(x,y)(a,b)q(x,y)=0\lim_{(x,y)\to(a,b)}q(x,y)=0,则

lim(x,y)(a,b)p(x,y)q(x,y)\lim_{(x,y)\to(a,b)}\frac{p(x,y)}{q(x,y)}

不存在。

  • 二元函数连续性定义:如果f(x,y)f(x,y)在点(a,b)(a,b)满足以下条件,则称f(x,y)f(x,y)(a,b)(a,b)处连续:

    1. ff(a,b)(a,b)处有定义;
    2. ff(a,b)(a,b)处有极限;
    3. ff(a,b)(a,b)处的函数值等于其极限值,即
lim(x,y)(a,b)f(x,y)=f(a,b)\lim_{(x,y)\to(a,b)}f(x,y)=f(a,b)
  • 复合函数连续性定理:

    如果二元函数gg(a,b)(a,b)连续,且一元函数ffg(a,b)g(a,b)连续,则复合函数fgf\circ g(a,b)(a,b)连续,其中(fg)(x,y)=f(g(x,y))(f\circ g)(x,y)=f(g(x,y))

14.3 偏导数

  • 偏导数定义:

    ff是二元函数,如果yy保持不变,如y=by=b,则f(x,b)f(x,b)xx的一元函数。其在x=ax=a处的导数称为ff(a,b)(a,b)关于xx的偏导数,记作fx(a,b)f_x(a,b)。即

fx(a,b)=limh0f(a+h,b)f(a,b)hf_x(a,b)=\lim_{h\to0}\frac{f(a+h,b)-f(a,b)}{h}

类似地,ff(a,b)(a,b)关于yy的偏导数为

fy(a,b)=limh0f(a,b+h)f(a,b)hf_y(a,b)=\lim_{h\to0}\frac{f(a,b+h)-f(a,b)}{h}
  • 偏导数作为函数:
fx(x,y)=limh0f(x+h,y)f(x,y)hf_x(x,y)=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h,y)-f(x,y)}{h} fy(x,y)=limh0f(x,y+h)f(x,y)hf_y(x,y)=\lim_{h\to0}\frac{f(x,y+h)-f(x,y)}{h}
  • 偏导数记号:如果z=f(x,y)z=f(x,y),则
fx(x,y)=fx=fx=xf(x,y)=zx=D1f=Dxff_x(x,y)=f_x=\frac{\partial f}{\partial x}=\frac{\partial}{\partial x}f(x,y)=\frac{\partial z}{\partial x}=D_1f=D_xf fy(x,y)=fy=fy=yf(x,y)=zy=D2f=Dyff_y(x,y)=f_y=\frac{\partial f}{\partial y}=\frac{\partial}{\partial y}f(x,y)=\frac{\partial z}{\partial y}=D_2f=D_yf
  • 求偏导数的规则:

    如果z=f(x,y)z=f(x,y)

    1. 要求fxf_x,将yy视为常数,对f(x,y)f(x,y)关于xx求导。
    2. 要求fyf_y,将xx视为常数,对f(x,y)f(x,y)关于yy求导。
  • 偏导数的解释:

    • ff(a,b)(a,b)的偏导数是过点P(a,b,c)P(a,b,c)的曲线C1C_1C2C_2在该点切线的斜率。
    • 偏导数也可以解释为瞬时变化率。
  • 高阶偏导数定义:

    如果z=f(x,y)z=f(x,y)

fxx=(fx)x=x(fx)=2fx2f_{xx}=(f_x)_x=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)=\frac{\partial^2f}{\partial x^2} fyy=(fy)y=y(fy)=2fy2f_{yy}=(f_y)_y=\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right)=\frac{\partial^2f}{\partial y^2} fxy=(fx)y=y(fx)=2fyxf_{xy}=(f_x)_y=\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)=\frac{\partial^2f}{\partial y\partial x} fyx=(fy)x=x(fy)=2fxyf_{yx}=(f_y)_x=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right)=\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}
  • Clairaut定理:

    如果fxyf_{xy}fyxf_{yx}在开集SS上连续,则对于SS中的每一点,有

fxy=fyxf_{xy}=f_{yx}
  • 多于两个变量的函数的偏导数:

    如果u=f(x,y,z)u=f(x,y,z)

fx(x,y,z)=limh0f(x+h,y,z)f(x,y,z)hf_x(x,y,z)=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h,y,z)-f(x,y,z)}{h} fy(x,y,z)=limh0f(x,y+h,z)f(x,y,z)hf_y(x,y,z)=\lim_{h\to0}\frac{f(x,y+h,z)-f(x,y,z)}{h} fz(x,y,z)=limh0f(x,y,z+h)f(x,y,z)hf_z(x,y,z)=\lim_{h\to0}\frac{f(x,y,z+h)-f(x,y,z)}{h}

高阶偏导数如fxyf_{xy}fxyzf_{xyz}称为混合偏导数。

14.4 切平面与线性近似

  • 切平面方程:

    如果ff有连续的偏导数,则曲面z=f(x,y)z=f(x,y)在点P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0)处的切平面方程为

zz0=fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0)z-z_0=f_x(x_0,y_0)(x-x_0)+f_y(x_0,y_0)(y-y_0)
  • 线性近似:
L(x,y)=f(a,b)+fx(a,b)(xa)+fy(a,b)(yb)L(x,y)=f(a,b)+f_x(a,b)(x-a)+f_y(a,b)(y-b)

称为ff(a,b)(a,b)的线性近似或切平面近似。

  • 可微性定义:

    如果

f(a+Δx,b+Δy)=f(a,b)+fx(a,b)Δx+fy(a,b)Δy+ϵ1Δx+ϵ2Δyf(a+\Delta x,b+\Delta y)=f(a,b)+f_x(a,b)\Delta x+f_y(a,b)\Delta y+\epsilon_1\Delta x+\epsilon_2\Delta y

其中当(Δx,Δy)(0,0)(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)时,ϵ10\epsilon_1\to0ϵ20\epsilon_2\to0,则称ff(a,b)(a,b)可微。

  • 定理:

    如果fx(x,y)f_x(x,y)fy(x,y)f_y(x,y)(a,b)(a,b)附近存在且在(a,b)(a,b)连续,则f(x,y)f(x,y)(a,b)(a,b)可微。

14.5 链式法则

  • 链式法则:

    z=f(x,y)z=f(x,y)xxyy的可微函数,其中x=g(t)x=g(t)y=h(t)y=h(t)都是tt的可微函数。则zztt的可微函数,且

dzdt(t)=fx(x(t),y(t))dxdt(t)+fy(x(t),y(t))dydt(t)\frac{dz}{dt}(t)=\frac{\partial f}{\partial x}(x(t),y(t))\frac{dx}{dt}(t)+\frac{\partial f}{\partial y}(x(t),y(t))\frac{dy}{dt}(t)

也可以写作

dzdt=zxdxdt+zydydt\frac{dz}{dt}=\frac{\partial z}{\partial x}\frac{dx}{dt}+\frac{\partial z}{\partial y}\frac{dy}{dt}
  • 链式法则(多元情况):

    x=x(s,t)x=x(s,t)y=y(s,t)y=y(s,t)(s,t)(s,t)有一阶偏导数,且z=f(x,y)z=f(x,y)(x(s,t),y(s,t))(x(s,t),y(s,t))可微。则z=f(x(s,t),y(s,t))z=f(x(s,t),y(s,t))有一阶偏导数,满足

zs=zxxs+zyys\frac{\partial z}{\partial s}=\frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial s}+\frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial s} zt=zxxt+zyyt\frac{\partial z}{\partial t}=\frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial t}+\frac{\partial z}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial t}
  • 两个变量的隐函数求导:

    如果F(x,y)=0F(x,y)=0隐式地定义了yyxx的函数,则

dydx=F/xF/y\frac{dy}{dx}=-\frac{\partial F/\partial x}{\partial F/\partial y}
  • 三个变量的隐函数求导:

    如果F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0隐式地定义了zzxxyy的函数,则

zx=F/xF/z\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{\partial F/\partial x}{\partial F/\partial z} zy=F/yF/z\frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{\partial F/\partial y}{\partial F/\partial z}

14.6 方向导数与梯度向量

  • 方向导数定义:

    对于任意单位向量u\mathbf{u},函数ff在点p\mathbf{p}沿u\mathbf{u}方向的方向导数定义为

Duf(p)=limh0f(p+hu)f(p)hD_{\mathbf{u}}f(\mathbf{p})=\lim_{h\to0}\frac{f(\mathbf{p}+h\mathbf{u})-f(\mathbf{p})}{h}

如果该极限存在。

  • 定理:

    f(x,y)f(x,y)p\mathbf{p}可微。则ffp\mathbf{p}沿单位向量u=ai+bj\mathbf{u}=a\mathbf{i}+b\mathbf{j}的方向导数存在,且

Duf(x,y)=fx(x,y)a+fy(x,y)bD_{\mathbf{u}}f(x,y)=f_x(x,y)a+f_y(x,y)b
  • 梯度向量定义:

    函数f(x,y)f(x,y)的梯度为

f=fx,fy=fxi+fyj\nabla f=\left\langle\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y}\right\rangle=\frac{\partial f}{\partial x}\mathbf{i}+\frac{\partial f}{\partial y}\mathbf{j}
  • 计算方向导数的另一种方法:
Duf=fuD_{\mathbf{u}}f=\nabla f\cdot\mathbf{u}
  • 三元函数的梯度:

    函数f(x,y,z)f(x,y,z)的梯度为

f=fx,fy,fz=fxi+fyj+fzk\nabla f=\left\langle\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y},\frac{\partial f}{\partial z}\right\rangle=\frac{\partial f}{\partial x}\mathbf{i}+\frac{\partial f}{\partial y}\mathbf{j}+\frac{\partial f}{\partial z}\mathbf{k}
  • 最大变化率:

    函数在点p\mathbf{p}处沿梯度方向f(p)\nabla f(\mathbf{p})的变化率最大,大小为f(p)\|\nabla f(\mathbf{p})\|

  • 水平集的切平面:

    F(x,y,z)=kF(x,y,z)=k隐式确定了一个曲面(F(x,y,z)F(x,y,z)的一个水平集),并且FF在曲面上的点P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0)处可微,且F(x0,y0,z0)0\nabla F(x_0,y_0,z_0)\neq\mathbf{0}。则通过PP点并垂直于F(x0,y0,z0)\nabla F(x_0,y_0,z_0)的平面是曲面在PP点处的切平面。

    • 切平面通过点P(x0,y0,z0)P(x_0,y_0,z_0),法向量为F(x0,y0,z0)\nabla F(x_0,y_0,z_0)

    • 切平面方程:

Fx(x0,y0,z0)(xx0)+Fy(x0,y0,z0)(yy0)+Fz(x0,y0,z0)(zz0)=0F_x(x_0,y_0,z_0)(x-x_0)+F_y(x_0,y_0,z_0)(y-y_0)+F_z(x_0,y_0,z_0)(z-z_0)=0
  • 法线的对称方程:
xx0Fx(x0,y0,z0)=yy0Fy(x0,y0,z0)=zz0Fz(x0,y0,z0)\frac{x-x_0}{F_x(x_0,y_0,z_0)}=\frac{y-y_0}{F_y(x_0,y_0,z_0)}=\frac{z-z_0}{F_z(x_0,y_0,z_0)}

14.7 极值

  • 绝对极值定义:

    设函数ff的定义域为SSp0\mathbf{p}_0SS中的一点。

    • 如果对所有SS中的p\mathbf{p},都有f(p0)f(p)f(\mathbf{p}_0)\geq f(\mathbf{p}),则称f(p0)f(\mathbf{p}_0)为绝对极大值。
    • 如果对所有SS中的p\mathbf{p},都有f(p0)f(p)f(\mathbf{p}_0)\leq f(\mathbf{p}),则称f(p0)f(\mathbf{p}_0)为绝对极小值。
    • 如果f(p0)f(\mathbf{p}_0)是绝对极大值或绝对极小值,则称其为绝对极值。
  • 局部极值定义:

    设函数ff的定义域为SSp0\mathbf{p}_0SS中的一点。

    • 如果存在p0\mathbf{p}_0的某个邻域NN,对所有SNS\cap N中的p\mathbf{p},都有f(p0)f(p)f(\mathbf{p}_0)\geq f(\mathbf{p}),则称f(p0)f(\mathbf{p}_0)为局部极大值。
    • 如果存在p0\mathbf{p}_0的某个邻域NN,对所有SNS\cap N中的p\mathbf{p},都有f(p0)f(p)f(\mathbf{p}_0)\leq f(\mathbf{p}),则称f(p0)f(\mathbf{p}_0)为局部极小值。
    • 如果f(p0)f(\mathbf{p}_0)是局部极大值或局部极小值,则称其为局部极值。
  • 极值定理:

    如果函数ff在闭区域SS上连续,则ffSS上一定能取到绝对极大值和绝对极小值。

  • 函数ff在集合SS上的临界点p0\mathbf{p}_0有以下三种类型之一:

    1. 边界点。
    2. 驻点:SS内部的点p0\mathbf{p}_0,且f(p0)=0\nabla f(\mathbf{p}_0)=\mathbf{0}
    3. 奇点:SS内部的点p0\mathbf{p}_0,且ff在该点不可微。
  • 临界点定理:

    设函数ff定义在集合SS上,且SS包含p0\mathbf{p}_0。如果f(p0)f(\mathbf{p}_0)是极值,则p0\mathbf{p}_0必须是临界点。

  • 二阶导数判别法:

    f(x,y)f(x,y)(x0,y0)(x_0,y_0)的某个邻域内有连续的二阶偏导数,且f(x0,y0)=0\nabla f(x_0,y_0)=\mathbf{0}。令

D=D(x0,y0)=fxx(x0,y0)fyy(x0,y0)(fxy(x0,y0))2D=D(x_0,y_0)=f_{xx}(x_0,y_0)f_{yy}(x_0,y_0)-(f_{xy}(x_0,y_0))^2
  • 如果D>0D>0fxx(x0,y0)<0f_{xx}(x_0,y_0)<0,则f(x0,y0)f(x_0,y_0)是局部极大值。
  • 如果D>0D>0fxx(x0,y0)>0f_{xx}(x_0,y_0)>0,则f(x0,y0)f(x_0,y_0)是局部极小值。
  • 如果D<0D<0,则(x0,y0)(x_0,y_0)是鞍点,f(x0,y0)f(x_0,y_0)不是极值。
  • 如果D=0D=0,则判别法失效。ff(x0,y0)(x_0,y_0)可能有局部极值,也可能是鞍点。

判别式DD的另一种计算方法:

D=fxxfxyfxyfyy=fxxfyy(fxy)2D=\begin{vmatrix}f_{xx}&f_{xy}\\f_{xy}&f_{yy}\end{vmatrix}=f_{xx}f_{yy}-(f_{xy})^2

如果D>0D>0,则fxx(x0,y0)f_{xx}(x_0,y_0)fyy(x0,y0)f_{yy}(x_0,y_0)同号,因此fyy(x0,y0)f_{yy}(x_0,y_0)的符号也可以判断极值类型。

14.8 拉格朗日乘数法

  • 拉格朗日乘数法步骤:

    为了在约束条件g(p)=0g(\mathbf{p})=0下求f(p)f(\mathbf{p})的极值:

    1. 求解方程组
f(p)=λg(p),g(p)=0\nabla f(\mathbf{p})=\lambda\nabla g(\mathbf{p}),\quad g(\mathbf{p})=0
text
 得到$\mathbf{p}$和$\lambda$。

2. 步骤1得到的每个点p\mathbf{p}都是约束极值问题的一个临界点。将这些p\mathbf{p}代入ff,得到的最大值为ff的最大值,最小值为ff的最小值。

  • 其中λ\lambda称为拉格朗日乘数。

文章标题:高数2 - 第14章 偏导数

文章作者:DWHITE

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