第四讲 多元函数微分学

  • 概念,计算,应用(极、最值)

一、概念

1.极限的存在性

  • 1.第一种定义法(数学专业,同济六、七版)

    • f(x,y)的定义域为DP0(x0,y0)D的聚点,ε>0,δ>0,P(x,y)DU˚(P0,δ)时,恒有f(x,y)A<εlimxx0,yy0f(x,y)=A设f(x,y)的定义域为D,P_0(x_0,y_0)是D的聚点,\\ \forall \varepsilon > 0, \exists \delta > 0, 当P(x,y) \in D \cap \mathring{U}(P_0,\delta)时,\\恒有|f(x,y)-A| < \varepsilon \Rightarrow \\ \lim_{x \to x_0, y \to y_0}f(x,y)=A

      聚点的概念:理解为内点+边界点,但边界点不一定是D聚点的概念:理解为内点+边界点,但边界点不一定是D的

  • 2.第二种定义法(非数学专业高等数学教材)

    • 若二元函数f(x,y)(x0,y0)的去心邻域内有定义,(x,y)以任意方式趋向于(x0,y0),f(x,y)Alimxx0,yy0f(x,y)=A若二元函数f(x,y)在(x_0,y_0)的去心邻域内有定义,\\且(x,y)以任意方式趋向于(x_0,y_0)时,f(x,y)均 \to A 则\\ \lim_{x \to x_0, y \to y_0}f(x,y)=A

  • limxx0,yy0lim(x,y)(x0,y0)\lim_{x \to x_0, y \to y_0} \Leftrightarrow \lim_{(x,y) \to (x_0, y_0)} 同时趋向

  • [注]除了洛必达法则、单调有界准则、穷举法以外,可照搬一元函数求极限的方法。如

    • 1.等价无穷小替换

    • 2.无穷小 * 有界变量=无穷小

      • limx>0+xlnx=0\lim_{x->0^+}x\ln x = 0

    • 3.夹逼准则 等

2.连续性

  • limxx0,yy0f(x,y)=f(x0,y0),f(x,y)(x0,y0)连续若\lim_{x \to x_0, y \to y_0}f(x,y)=f(x_0,y_0),称f(x,y)在(x_0,y_0)连续

    • []"",叫不连续,多元时不讨论间断类型[注]若"≠",叫不连续,多元时不讨论间断类型

3.偏导数(必考)的存在性————偏的意思是片面,偷懒

  • z=f(x,y)z=f(x,y)

  • fx(x,y)=zx(x,y)=f(x,y)x=z(x,y)xf'_x(x,y) = z'_x(x,y)= \frac {\partial f(x,y)}{\partial x} = \frac {\partial z(x,y)}{\partial x} 偏导的写法

  • fx(x0,y0)=fx(x0,y0)limΔx0f(x0+Δx,y0)f(x0,y0)Δx\frac {\partial f}{\partial x}|_{(x_0,y_0)}= f_x'(x_0,y_0) \triangleq \lim_{\Delta x \to 0 } \frac {f(x_0+\Delta x,y_0)-f(x_0,y_0)}{\Delta x}

  • fy(x0,y0)=fy(x0,y0)limΔy0f(x0,y0+Δy)f(x0,y0)Δy\frac {\partial f}{\partial y}|_{(x_0,y_0)}=f_y'(x_0,y_0) \triangleq \lim_{\Delta y \to 0 } \frac {f(x_0 ,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0)}{\Delta y}

  • 偏微分符号,拉格朗日发明,法文,读音类似round\partial 偏微分符号,拉格朗日发明,法文,读音类似round

4.可微性 z=f(x,y) (强化班)

  • 1.Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)f(x0,y0)全增量1. \Delta z = f(x_0+ \Delta x, y_0+ \Delta y) - f(x_0,y_0) 全增量

  • $$2. A\Delta x+B\Delta y \left{ \begin{array}{ll}

    A = f_x'(x_0,y_0) \

    B = f_y'(x_0,y_0) \end{array} \right. 线性增量$$

  • 3.limΔx0,Δy0Δz(AΔx+BΔy)(Δx)2+(Δy)2=0f(x,y)c可微3. \lim_{\Delta x \to 0, \Delta y \to 0}\frac{\Delta z - (A\Delta x+B\Delta y)}{\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2}} = 0 \Rightarrow f(x,y)在c可微

    • Δz(AΔx+BΔy)=o((Δx)2+(Δy)2)\Delta z - (A\Delta x+B\Delta y) = o(\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2} )

    • Δz=(AΔx+BΔy)+o((Δx)2+(Δy)2)\Delta z = (A\Delta x+B\Delta y) + o(\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2} ) 全增量,线性主部,误差(error)

  • 微分学中Δx=dx,Δy=dydz(x0,y0)=fx(x0,y0)dx+fy(x0,y0)dy,dz为全微分微分学中 \Delta x =dx, \Delta y =dy \\得 dz|_{(x_0,y_0)}=f_x'(x_0,y_0)dx+f_y'(x_0,y_0)dy, dz为全微分

  • dz=fx(x,y)dx+fy(x,y)dy=fxdx+fydydz=f_x'(x,y)dx+f_y'(x,y)dy = \frac {\partial f}{\partial x}dx+\frac {\partial f}{\partial y}dy

5.偏导数的连续性z=f(x,y) (强化班)

  • 1.用定义求fx(x0,y0),fy(x0,y0)1.用定义求f_x'(x_0,y_0),f_y'(x_0,y_0)

  • 2.用公式求fx(x,y),fy(x,y)2.用公式求f_x'(x,y),f_y'(x,y)

  • 3.验证limxx0,yy0fx(x,y)是否=fx(x0,y0)limxx0,yy0fy(x,y)是否=fy(x0,y0),若均等,则称f(x,y)(x0,y0)处偏导数连续3.验证\lim_{x \to x_0, y \to y_0}f'_x(x,y) 是否=f'_x(x_0,y_0) \\且\lim_{x \to x_0, y \to y_0}f'_y(x,y) 是否=f'_y(x_0,y_0) ,\\若均等,则称f(x,y)在(x_0,y_0)处偏导数连续

逻辑关系 z=f(x,y) (x_0,y_0)

  • 偏导连续5可微4可偏导3偏导连续5 \Rightarrow 可微4 \Rightarrow 可偏导3

  • 可微4连续2极限存在1可微4 \Rightarrow 连续2 \Rightarrow 极限存在1

二、计算(必考)————多元函数微分法

1.链式求导规则

  • z=f(u,v,w),u=u(y),v=v(x,y),w=w(x),x,y叫自变量,u,v,w叫中间变量,z叫因变量设 z=f(u,v,w),u=u(y),v=v(x,y),w=w(x),\\称x,y叫自变量,u,v,w叫中间变量,z叫因变量

  • 复合变量结构图复合变量结构图

    复合变量结构图

  • 有几条路就有几项相加,每条路上有几段就有几个相乘

  • zx=zvvx+zwdvdx\frac {\partial z}{\partial x} = \frac {\partial z}{\partial v} \bullet \frac {\partial v}{\partial x} + \frac {\partial z}{\partial w} \bullet \frac {dv}{dx}

    • wx只有一条,所以用dvdx不用vxw 到 x 只有一条,所以用\frac {dv}{dx} 不用 \frac {\partial v}{\partial x}

  • 注意书写规范

2.高阶偏导数

  • z=f(u,v,w),u=u(y),v=v(x,y),w=w(x),x,y叫自变量,u,v,w叫中间变量,z叫因变量设 z=f(u,v,w),u=u(y),v=v(x,y),w=w(x),\\称x,y叫自变量,u,v,w叫中间变量,z叫因变量

  • 四种二阶偏导数

    • (zx)x=2zx2\frac {\partial(\frac {\partial z}{\partial x})}{\partial x} = \frac {\partial^2 z}{\partial x^2}

    • (zx)y=2zxy\frac {\partial(\frac {\partial z}{\partial x})}{\partial y} = \frac {\partial^2 z}{\partial x \partial y }

    • (zy)x=2zyx\frac {\partial(\frac {\partial z}{\partial y})}{\partial x} = \frac {\partial^2 z}{\partial y \partial x}

    • (zy)y=2zy2\frac {\partial(\frac {\partial z}{\partial y})}{\partial y} = \frac {\partial^2 z}{\partial y^2}

  • 无论z对谁求导,也无论z已经求了几次导,新函数仍然与原来函数有完全相同的复合结构

  • [自注]这段没有看明白,到知乎上查了下,解释如下

    • 1.偏导数是相对某个具体的坐标系才有意义的

    • 2.链式法则是对复合函数才适用

  • [自注]这里我的理解是所谓中间变量其实是“坐标系的基”,结合线性代数就好理解了。

    • 而链式法则一开始就是在转换坐标系,机器人学里的链式法则也是在转换坐标系,所以链式法则只能用于复合函数

    • 所以那句“无论求了几次导……”就好理解了,不管怎么求导,也不会改变坐标系的基的,因为在过程中转换坐标系完成求导,但是最终结果还是在原坐标系

3.多元函数的极最值(必考)

  • 概念理解

  • f(x,y)<f(x0,y0)真正,f(x,y)f(x0,y0)广义f(x,y) < f(x_0,y_0) 真正,f(x,y) \le f(x_0,y_0) 广义

  • 1.无条件极值z=f(x,y)1.无条件极值 z=f(x,y)

    • 1.必要条件

      • $$ 设z=f(x,y) 在(x_0,y_0)处 \left{ \begin{array}{ll}

        一阶偏导数存在, & \textrm{} \

        取极值, & \textrm{} \end{array} \right. \ \Rightarrow f'_x(x_0,y_0)=0,f'_y(x_0,y_0)=0$$

      • [注]适用于三元及以上(常考2~5元)

    • 2.充分条件

      • $$记f''{xx}(x_0,y_0)=A, f''{xy}(x0,y_0)=B, f''{yy}(x_0,y_0)=C \ \Rightarrow \Delta = B^2-AC \left{ \begin{array}{ll}

        \Delta < 0 \left{ \begin{array}{ll}

        A > 0 \Rightarrow 极小 \

        A < 0 \Rightarrow 极大 \end{array} \right. \

        \Delta > 0 \Rightarrow 不是极值 \ \Delta = 0 \Rightarrow 失效(用概念)\end{array} \right.$$

      • [注] 只适用于二元。原因是因为这个判别式是海塞矩阵,二阶行列式,多元需要高阶的海塞矩阵

  • 2.条件极值2.条件极值其实是最值

    • $$提法:求u=f(x,y,z)在约束条件\left{ \begin{array}{ll}

      \varphi(x,y,z) = 0 \

      \psi(x,y,z) = 0 \end{array} \right. 下的极值$$ 其实是最值

    • 拉式乘数法

      • 1.作辅助函数

        • F(x,y,z,λ,μ)=f(x,y,z)+λφ(x,y,z)+μψ(x,y,z)F(x,y,z,\lambda,\mu) = f(x,y,z) + \lambda \varphi(x,y,z)+\mu\psi(x,y,z)五个独立变量

      • 2.令五个偏导为0

        • Fx=0,Fy=0,Fz=0,Fλ=0,Fψ=0F'_x=0,F'_y=0,F'_z=0,F'_{\lambda}=0,F'_{\psi}=0

      • 3.解方程组的P_i

        • 比较u(Pi),M=umax(Pi),m=umin(Pj)比较u(P_i),M = u_{max}(P_i),m=u_{min}(P_j)

Last updated

Was this helpful?