数学

多元函数微分学

2026-06-08 #偏导数#全微分#方向导数#梯度

第十七章 多元函数微分学

一、基本概念与可微性条件

1. 全微分 (Total Differential)

函数在点 P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 处的全微分为:

df∣P0=df(x0,y0)=Adx+Bdydf\Big|_{P_0} = df(x_0, y_0) = A dx + B dy

其中:

  • A=fx(x0,y0)A = f_x(x_0, y_0)

  • B=fy(x0,y0)B = f_y(x_0, y_0)

2. 偏导数 (Partial Derivative)

  • 核心思想:把非导变量视为常数进行求导。

3. 可微性条件

  • 必要条件:

    1. 偏导数存在。
    2. 函数连续。
  • 充分条件:

    • 偏导数存在且连续。

二、几何应用

设曲面方程为 z=f(x,y)z = f(x, y),在点 P0(x0,y0,z0)P_0(x_0, y_0, z_0) 处:

1. 切平面方程 (Tangent Plane)

z−z0=fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0)z - z_0 = f_x(x_0, y_0)(x - x_0) + f_y(x_0, y_0)(y - y_0)

2. 法线方程 (Normal Line)

x−x0fx(x0,y0)=y−y0fy(x0,y0)=z−z0−1\frac{x - x_0}{f_x(x_0, y_0)} = \frac{y - y_0}{f_y(x_0, y_0)} = \frac{z - z_0}{-1}

三、复合函数求导与全微分

1. 复合函数求导路径(树状图分析)

设 z=f(x,y)z = f(x, y),其中 (x,y)(x, y) 满足 D={x=φ(s,t),y=ψ(s,t)}\mathcal{D} = \{x = \varphi(s, t), y = \psi(s, t)\}:

1
2
3
4
5
    z = f(x, y)          <--- 因变量
/ \
x y <--- 中间变量
/ \ / \
s t s t <--- 自变量
  • 如何处理(链式法则):壳函数路径相乘,有别路径相加,从头到尾。

    • ∂z∂s=∂z∂x∂x∂s+∂z∂y∂y∂s\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}
    • ∂z∂t=∂z∂x∂x∂t+∂z∂y∂y∂t\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}

2. 复合函数的全微分

dz=∂z∂xdx+∂z∂ydydz = \frac{\partial z}{\partial x} dx + \frac{\partial z}{\partial y} dy

其中自变量本身又是复合函数:

dx=∂x∂sds+∂x∂tdtdx = \frac{\partial x}{\partial s} ds + \frac{\partial x}{\partial t} dt

dy=∂y∂sds+∂y∂tdtdy = \frac{\partial y}{\partial s} ds + \frac{\partial y}{\partial t} dt

  • 全微分形式不变性:无论 x,yx, y 是自变量还是中间变量,全微分的形式保持一致。

3. 复合函数高阶偏导数

(注:手写笔记吐槽"好烦,我不想写了。总之按之前的方法慢慢来,多练四道。链接至上文多元函数偏导数。")


四、方向导数与梯度

1. 方向导数 (Directional Derivative)

  • 定义:

    lim⁡ρ→0+f(P)−f(P0)ρ\lim_{\rho \to 0^+} \frac{f(P) - f(P_0)}{\rho}

    记作 ∂f∂l∣P0\frac{\partial f}{\partial l}\Big|_{P_0},其中 ll 为方向。

  • 计算公式:

    ∂f∂l∣P0=fx(P0)cos⁡α+fy(P0)cos⁡β+fz(P0)cos⁡γ\frac{\partial f}{\partial l}\Big|_{P_0} = f_x(P_0)\cos\alpha + f_y(P_0)\cos\beta + f_z(P_0)\cos\gamma

    (其中 cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma 为方向 ll 的方向余弦)

2. 梯度 (Gradient)

  • 定义:

    grad f(P0)=(fx(P0),fy(P0),fz(P0))\text{grad } f(P_0) = (f_x(P_0), f_y(P_0), f_z(P_0))

  • 模(长度):

    ∥grad f(P0)∥=fx2(P0)+fy2(P0)+fz2(P0)\|\text{grad } f(P_0)\| = \sqrt{f_x^2(P_0) + f_y^2(P_0) + f_z^2(P_0)}

3. 方向导数与增长率

  • 某方向的方向导数 ⇒\Rightarrow 该方向的增长率。

  • 方向最陡(变化最快)的方向 ⇒\Rightarrow 梯度方向 ⇒\Rightarrow 最快增长率。

求增长最快的方向和增长率

步骤:

  1. 求各偏导 fx,fy,fzf_x, f_y, f_z。

  2. 梯度 grad f(P0)=(fx(P0),fy(P0),fz(P0))\text{grad } f(P_0) = (f_x(P_0), f_y(P_0), f_z(P_0))。

  3. 最快增长率 =∣grad f(P0)∣= |\text{grad } f(P_0)|(梯度方向的方向导数即梯度本身的模长)。

例 1:u=x2y2u = x^2 y^2,在点 (1,1,1)(1,1,1)

求最快的方向:

  • ux=2xy2=2u_x = 2xy^2 = 2,uy=2x2y=2u_y = 2x^2y = 2,uz=0u_z = 0

  • ⇒grad u(1,1,1)=(2,2,0)\Rightarrow \text{grad } u(1,1,1) = (2, 2, 0)

增长率:

∣grad u(1,1,1)∣=22+22+02=22|\text{grad } u(1,1,1)| = \sqrt{2^2 + 2^2 + 0^2} = 2\sqrt{2}

例 2:u=x+xy2u = x + xy^2,在点 (1,1,1)(1,1,1)

  • ux=1+y2=2u_x = 1 + y^2 = 2,uy=2xy=2u_y = 2xy = 2,uz=0u_z = 0

  • ⇒grad u(1,1,1)=(2,2,0)\Rightarrow \text{grad } u(1,1,1) = (2, 2, 0)

  • 增长率 =∣grad u∣=22= |\text{grad } u| = 2\sqrt{2}


五、泰勒定理 (Taylor’s Theorem)

设 fx=fy=0f_x = f_y = 0,函数具有 n+1n+1 阶连续偏导数。对于点 (x0+h,y0+k)(x_0+h, y_0+k),存在 θ∈(0,1)\theta \in (0, 1),泰勒展开式为:

f(x0+h,y0+k)=f(x0,y0)+(h∂∂x+k∂∂y)f(x0,y0)+12!(h∂∂x+k∂∂y)2f(x0,y0)+⋯+1n!(h∂∂x+k∂∂y)nf(x0,y0)+Rnf(x_0+h, y_0+k) = f(x_0, y_0) + \left(h\frac{\partial}{\partial x} + k\frac{\partial}{\partial y}\right)f(x_0, y_0) + \frac{1}{2!}\left(h\frac{\partial}{\partial x} + k\frac{\partial}{\partial y}\right)^2 f(x_0, y_0) + \cdots + \frac{1}{n!}\left(h\frac{\partial}{\partial x} + k\frac{\partial}{\partial y}\right)^n f(x_0, y_0) + R_n


六、极值问题

1. 极值定义

  • 极大值:对于 ∀P∈U(P0)\forall P \in U(P_0),均有 f(P)≤f(P0)f(P) \le f(P_0),则称 f(P0)f(P_0) 为极大值。

2. 极值存在的条件

(1) 必要条件

若函数在 (x0,y0)(x_0, y_0) 处取得极值,则:

fx(x0,y0)=fy(x0,y0)=0f_x(x_0, y_0) = f_y(x_0, y_0) = 0

此时点 (x0,y0)(x_0, y_0) 称为稳定点(驻点)。

(2) 充分条件(海塞矩阵 Hessian Matrix)

构造海塞矩阵:

Hf(P0)=(fxx(P0)fxy(P0)fyx(P0)fyy(P0))H_f(P_0) = \begin{pmatrix} f_{xx}(P_0) & f_{xy}(P_0) \\ f_{yx}(P_0) & f_{yy}(P_0) \end{pmatrix}

  • 正定矩阵 ⇒\Rightarrow 取得极小值。

  • 负定矩阵 ⇒\Rightarrow 取得极大值。

  • 不定矩阵 ⇒\Rightarrow 无极值(鞍点)。


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