第14章 偏导数
14.1 多元函数
- 二元函数定义:实值二元函数f将平面上某个集合D中的每一个有序数对(x,y)赋予一个唯一的实数f(x,y)。
- 二元函数的定义域D:如果没有特别说明,则D为函数规则有意义的所有(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),称x和y为自变量,z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(x1,x2,…,xn)。
- 水平集:二元函数f的水平集是方程f(x,y)=k的曲线,其中k是f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
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二元函数极限的定义:
设函数f的定义域D包含(a,b)附近的点。如果对于任意ϵ>0,存在δ>0(可能依赖于f,ϵ,a,b),使得当(x,y)∈D且0<∥(x,y)−(a,b)∥<δ时,有∣f(x,y)−L∣<ϵ,则称f(x,y)当(x,y)趋于(a,b)时的极限为L,记作
(x,y)→(a,b)limf(x,y)=L
(x,y)→(a,b)limf(x,y)=f(a,b)
如果f(x,y)=q(x,y)p(x,y)是有理函数(p,q是多项式),则
(x,y)→(a,b)limf(x,y)=q(a,b)p(a,b)
其中q(a,b)=0。
如果lim(x,y)→(a,b)p(x,y)=L=0且lim(x,y)→(a,b)q(x,y)=0,则
(x,y)→(a,b)limq(x,y)p(x,y)
不存在。
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二元函数连续性定义:如果f(x,y)在点(a,b)满足以下条件,则称f(x,y)在(a,b)处连续:
- f在(a,b)处有定义;
- f在(a,b)处有极限;
- f在(a,b)处的函数值等于其极限值,即
(x,y)→(a,b)limf(x,y)=f(a,b)
-
复合函数连续性定理:
如果二元函数g在(a,b)连续,且一元函数f在g(a,b)连续,则复合函数f∘g在(a,b)连续,其中(f∘g)(x,y)=f(g(x,y))。
14.3 偏导数
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偏导数定义:
设f是二元函数,如果y保持不变,如y=b,则f(x,b)是x的一元函数。其在x=a处的导数称为f在(a,b)关于x的偏导数,记作fx(a,b)。即
fx(a,b)=h→0limhf(a+h,b)−f(a,b)
类似地,f在(a,b)关于y的偏导数为
fy(a,b)=h→0limhf(a,b+h)−f(a,b)
fx(x,y)=h→0limhf(x+h,y)−f(x,y)
fy(x,y)=h→0limhf(x,y+h)−f(x,y)
- 偏导数记号:如果z=f(x,y),则
fx(x,y)=fx=∂x∂f=∂x∂f(x,y)=∂x∂z=D1f=Dxf
fy(x,y)=fy=∂y∂f=∂y∂f(x,y)=∂y∂z=D2f=Dyf
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求偏导数的规则:
如果z=f(x,y),
- 要求fx,将y视为常数,对f(x,y)关于x求导。
- 要求fy,将x视为常数,对f(x,y)关于y求导。
-
偏导数的解释:
- f在(a,b)的偏导数是过点P(a,b,c)的曲线C1和C2在该点切线的斜率。
- 偏导数也可以解释为瞬时变化率。
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高阶偏导数定义:
如果z=f(x,y),
fxx=(fx)x=∂x∂(∂x∂f)=∂x2∂2f
fyy=(fy)y=∂y∂(∂y∂f)=∂y2∂2f
fxy=(fx)y=∂y∂(∂x∂f)=∂y∂x∂2f
fyx=(fy)x=∂x∂(∂y∂f)=∂x∂y∂2f
fxy=fyx
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多于两个变量的函数的偏导数:
如果u=f(x,y,z),
fx(x,y,z)=h→0limhf(x+h,y,z)−f(x,y,z)
fy(x,y,z)=h→0limhf(x,y+h,z)−f(x,y,z)
fz(x,y,z)=h→0limhf(x,y,z+h)−f(x,y,z)
高阶偏导数如fxy和fxyz称为混合偏导数。
14.4 切平面与线性近似
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切平面方程:
如果f有连续的偏导数,则曲面z=f(x,y)在点P(x0,y0,z0)处的切平面方程为
z−z0=fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0)
L(x,y)=f(a,b)+fx(a,b)(x−a)+fy(a,b)(y−b)
称为f在(a,b)的线性近似或切平面近似。
f(a+Δx,b+Δy)=f(a,b)+fx(a,b)Δx+fy(a,b)Δy+ϵ1Δx+ϵ2Δy
其中当(Δx,Δy)→(0,0)时,ϵ1→0,ϵ2→0,则称f在(a,b)可微。
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定理:
如果fx(x,y)和fy(x,y)在(a,b)附近存在且在(a,b)连续,则f(x,y)在(a,b)可微。
14.5 链式法则
-
链式法则:
设z=f(x,y)是x和y的可微函数,其中x=g(t)和y=h(t)都是t的可微函数。则z是t的可微函数,且
dtdz(t)=∂x∂f(x(t),y(t))dtdx(t)+∂y∂f(x(t),y(t))dtdy(t)
也可以写作
dtdz=∂x∂zdtdx+∂y∂zdtdy
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链式法则(多元情况):
设x=x(s,t)和y=y(s,t)在(s,t)有一阶偏导数,且z=f(x,y)在(x(s,t),y(s,t))可微。则z=f(x(s,t),y(s,t))有一阶偏导数,满足
∂s∂z=∂x∂z∂s∂x+∂y∂z∂s∂y
∂t∂z=∂x∂z∂t∂x+∂y∂z∂t∂y
dxdy=−∂F/∂y∂F/∂x
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三个变量的隐函数求导:
如果F(x,y,z)=0隐式地定义了z是x和y的函数,则
∂x∂z=−∂F/∂z∂F/∂x
∂y∂z=−∂F/∂z∂F/∂y
14.6 方向导数与梯度向量
Duf(p)=h→0limhf(p+hu)−f(p)
如果该极限存在。
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定理:
设f(x,y)在p可微。则f在p沿单位向量u=ai+bj的方向导数存在,且
Duf(x,y)=fx(x,y)a+fy(x,y)b
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梯度向量定义:
函数f(x,y)的梯度为
∇f=⟨∂x∂f,∂y∂f⟩=∂x∂fi+∂y∂fj
Duf=∇f⋅u
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三元函数的梯度:
函数f(x,y,z)的梯度为
∇f=⟨∂x∂f,∂y∂f,∂z∂f⟩=∂x∂fi+∂y∂fj+∂z∂fk
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最大变化率:
函数在点p处沿梯度方向∇f(p)的变化率最大,大小为∥∇f(p)∥。
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水平集的切平面:
设F(x,y,z)=k隐式确定了一个曲面(F(x,y,z)的一个水平集),并且F在曲面上的点P(x0,y0,z0)处可微,且∇F(x0,y0,z0)=0。则通过P点并垂直于∇F(x0,y0,z0)的平面是曲面在P点处的切平面。
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切平面通过点P(x0,y0,z0),法向量为∇F(x0,y0,z0)。
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切平面方程:
Fx(x0,y0,z0)(x−x0)+Fy(x0,y0,z0)(y−y0)+Fz(x0,y0,z0)(z−z0)=0
Fx(x0,y0,z0)x−x0=Fy(x0,y0,z0)y−y0=Fz(x0,y0,z0)z−z0
14.7 极值
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绝对极值定义:
设函数f的定义域为S,p0是S中的一点。
- 如果对所有S中的p,都有f(p0)≥f(p),则称f(p0)为绝对极大值。
- 如果对所有S中的p,都有f(p0)≤f(p),则称f(p0)为绝对极小值。
- 如果f(p0)是绝对极大值或绝对极小值,则称其为绝对极值。
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局部极值定义:
设函数f的定义域为S,p0是S中的一点。
- 如果存在p0的某个邻域N,对所有S∩N中的p,都有f(p0)≥f(p),则称f(p0)为局部极大值。
- 如果存在p0的某个邻域N,对所有S∩N中的p,都有f(p0)≤f(p),则称f(p0)为局部极小值。
- 如果f(p0)是局部极大值或局部极小值,则称其为局部极值。
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极值定理:
如果函数f在闭区域S上连续,则f在S上一定能取到绝对极大值和绝对极小值。
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函数f在集合S上的临界点p0有以下三种类型之一:
- 边界点。
- 驻点:S内部的点p0,且∇f(p0)=0。
- 奇点:S内部的点p0,且f在该点不可微。
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临界点定理:
设函数f定义在集合S上,且S包含p0。如果f(p0)是极值,则p0必须是临界点。
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二阶导数判别法:
设f(x,y)在(x0,y0)的某个邻域内有连续的二阶偏导数,且∇f(x0,y0)=0。令
D=D(x0,y0)=fxx(x0,y0)fyy(x0,y0)−(fxy(x0,y0))2
- 如果D>0且fxx(x0,y0)<0,则f(x0,y0)是局部极大值。
- 如果D>0且fxx(x0,y0)>0,则f(x0,y0)是局部极小值。
- 如果D<0,则(x0,y0)是鞍点,f(x0,y0)不是极值。
- 如果D=0,则判别法失效。f在(x0,y0)可能有局部极值,也可能是鞍点。
判别式D的另一种计算方法:
D=fxxfxyfxyfyy=fxxfyy−(fxy)2
如果D>0,则fxx(x0,y0)和fyy(x0,y0)同号,因此fyy(x0,y0)的符号也可以判断极值类型。
14.8 拉格朗日乘数法
∇f(p)=λ∇g(p),g(p)=0
text 得到$\mathbf{p}$和$\lambda$。
2. 步骤1得到的每个点p都是约束极值问题的一个临界点。将这些p代入f,得到的最大值为f的最大值,最小值为f的最小值。