偏导数与全微分
1 偏导数与全微分
1.1 方向导数与偏导数
定义 1.1 (方向导数)
设二元函数
f(x,y) 在点
(x0,y0) 有定义,
e=(cosθ, sinθ) 是一个方向向量。若极限
t→0limtf(x0+tcosθ, y0+tsinθ)−f(x0,y0)
存在,则称该极限为函数
f 在点
(x0,y0) 沿方向
e 的
方向导数,记作
∂e∂f(x0,y0)或∂ef(x0,y0).
定义 1.2 (偏导数)
方向导数沿坐标轴正方向(即
e 分别取
(1,0) 与
(0,1))的特殊情形称为
偏导数。采用以下记号之一:
- 对 x 的偏导:∂x∂f(x0,y0), fx′(x0,y0), fx(x0,y0)
- 对 y 的偏导:∂y∂f(x0,y0), fy′(x0,y0), fy(x0,y0)
注意:即使
f(x,y) 在
(x0,y0) 沿任意方向的导数都存在,也不能推出
f 在该点连续,因为极限路径未必是直线。
1.2 全微分
定义 1.3 (可微性与全微分)
设二元函数
f(x,y) 在点
(x0,y0) 有定义。若存在实数
A,B,使得当
(Δx)2+(Δy)2→0 时,成立
f(x0+Δx, y0+Δy)−f(x0,y0)=AΔx+BΔy+o((Δx)2+(Δy)2),
则称
f 在点
(x0,y0) 可微,并称线性主部
AΔx+BΔy 为
f 在
(x0,y0) 的
全微分,记作
df(x0,y0)=Adx+Bdy.
定理 1.1 (可微蕴含连续)
若
f(x,y) 在
(x0,y0) 可微,则
f 在该点连续。
定理 1.2 (可微蕴含各方向导数存在)
若
f(x,y) 在
(x0,y0) 可微,则
f 在该点沿任意方向
e=(cosθ, sinθ) 的方向导数均存在。
证明:在可微表达式中取
Δx=tcosθ, Δy=tsinθ,即得结论。
□
推论 1.1 (全微分与偏导数的关系)
若
f(x,y) 在
(x0,y0) 可微,且
df(x0,y0)=Adx+Bdy,则
∂x∂f(x0,y0)=A,∂y∂f(x0,y0)=B.
即全微分中的系数即为相应的偏导数。
1.3 连续可微函数
定理 1.3 (连续可微则必可微)
若函数
f(x,y) 的各个偏导数在点
(x0,y0) 的某个邻域内存在,且它们在
(x0,y0) 连续,则
f 在
(x0,y0) 可微。
证明:
记
h=Δx=x−x0,
k=Δy=y−y0。应用一元函数的有限增量公式:
==f(x0+h, y0+k)−f(x0,y0)[f(x0+h, y0+k)−f(x0, y0+k)]+[f(x0, y0+k)−f(x0,y0)]fx(x0+θh, y0+k)h+fy(x0, y0+ωk)k,0<θ, ω<1.
由偏导数的连续性,可写
fx(x0+θh, y0+k)=fx(x0,y0)+α,fy(x0, y0+ωk)=fy(x0,y0)+β,
其中当
(h,k)→(0,0) 时,
α, β→0。代入得
f(x0+h, y0+k)−f(x0,y0)=fx(x0,y0)h+fy(x0,y0)k+αh+βk.
注意到
h2+k2αh+βk≤∣α∣+∣β∣→0,
故
αh+βk=o(h2+k2),从而
f(x0+h, y0+k)−f(x0,y0)=fx(x0,y0)h+fy(x0,y0)k+o(h2+k2).
即
f 在
(x0,y0) 可微。
□
1.4 m 元函数的一般情形
本节将前述二元函数的核心概念(方向导数、偏导数、全微分与可微性)自然推广到
m 元函数的情形。
定义 1.4 (m 元函数的方向导数与偏导数)
设
m 元函数
f(x)=f(x1,x2,…,xm) 在点
x0=(x10,…,xm0) 的某邻域内有定义,
e=(e1,e2,…,em) 是一个单位方向向量(即
∥e∥=e12+⋯+em2=1)。若极限
t→0limtf(x0+te)−f(x0)=t→0limtf(x10+te1,…,xm0+tem)−f(x0)
存在,则称此极限为函数
f 在点
x0 沿方向
e 的
方向导数,记作
∂e∂f(x0) 或
∂ef(x0)。
特别地,沿坐标轴正方向
ei=(0,…,1,…,0)(第
i 个分量为
1)的方向导数称为对自变量
xi 的
偏导数,记作:
∂xi∂f(x0),fxi(x0),或Dif(x0).
定义 1.5 (m 元函数的可微性与全微分)
设
m 元函数
f(x) 在点
x0 的某邻域内有定义。若存在一组实数
A1,A2,…,Am,使得对于增量
Δx=(Δx1,…,Δxm),当
∥Δx∥=(Δx1)2+⋯+(Δxm)2→0 时,成立
f(x0+Δx)−f(x0)=i=1∑mAiΔxi+o(∥Δx∥),
则称函数
f 在点
x0 可微。线性主部
∑i=1mAiΔxi 称为
f 在点
x0 的
全微分,记作
df(x0)=i=1∑mAidxi.
- 可微蕴含连续:若 f 在点 x0 可微,则 f 在该点连续。
- 可微蕴含方向导数存在:若 f 在点 x0 可微,则 f 在该点沿任意方向 e 的方向导数均存在。
- 全微分系数即偏导数:若 f 在点 x0 可微,且 df(x0)=∑i=1mAidxi,则
∂xi∂f(x0)=Ai,i=1,2,…,m.
因此,全微分可唯一地写为:
df(x0)=i=1∑m∂xi∂f(x0)dxi.
证明思路:
性质1与2的证明与二元情形完全类似,只需将二元情形下的表达式替换为对应的
m 维形式即可。性质3的证明可通过在可微性定义中分别取
Δx 为
(0,…,Δxi,…,0) 并利用方向导数的定义直接得到。
定理 1.5 (连续可微则必可微)
若
m 元函数
f(x) 的所有一阶偏导数
∂x1∂f,…,∂xm∂f 在点
x0 的某个邻域内存在,且都在点
x0 连续,则函数
f 在点
x0 可微。
证明思路(多次应用有限增量公式):
令
Δx=(h1,…,hm)。将函数值的增量视为依次只变动一个自变量的结果:
=+++f(x10+h1,…,xm0+hm)−f(x10,…,xm0) [f(x10+h1,x20,…,xm0)−f(x10,…,xm0)] [f(x10+h1,x20+h2,x30,…,xm0)−f(x10+h1,x20,…,xm0)] … [f(x10+h1,…,xm0+hm)−f(x10+h1,…,xm−10+hm−1,xm0)].
对上述每一行应用一元函数的有限增量公式,再利用各偏导数的连续性,即可将每项写为
∂xi∂f(x0)hi 加上一个高阶无穷小项。最终可证得存在满足定义的关系式
f(x0+Δx)−f(x0)=∑i=1m∂xi∂f(x0)hi+o(∥Δx∥)。
□
2 复合函数的偏导数与全微分
2.1 复合函数求导的链式法则
定理 2.1 (复合函数求导的链式法则)
设有
m 个
k 元函数
φi(t)=φi(t1,t2,...,tk),它们在点
t0=(t01,t02,...,t0k) 处对所有
tj 的偏导数都存在,且
φ1(t0)=x01,φ2(t0)=x02,...,φm(t0)=x0m。又设
m 元函数
f(x1,x2,...,xm) 在点
x0=(x01,x02,...,x0m) 可微,那么复合函数
F(t)=f(φ1(t),φ2(t),...,φm(t))
在点
t0 对所有
tj 的偏导数也都存在,并且
∂tj∂F(t0)=i=1∑m∂xi∂f(x0)∂tj∂φi(t0).
证明:
由于
f 在
x0 可微,故有:
f(x0+Δx)−f(x0)=i=1∑m∂xi∂f(x0)Δxi+o(∥Δx∥),
其中
Δx=(Δx1,…,Δxm),
∥Δx∥=∑i=1m(Δxi)2。
现考虑复合函数
F 在
t0 处对
tj 的偏导数。令
Δtj 为
tj 的增量,记
Δt=(0,…,Δtj,…,0)(仅第
j 个分量非零)。相应地,令
Δφi=φi(t0+Δt)−φi(t0),i=1,…,m.
由
φi 在
t0 处对
tj 可偏导,知
Δφi=∂tj∂φi(t0)Δtj+o(∣Δtj∣).
于是复合函数的增量为:
F(t0+Δt)−F(t0)=f(φ1(t0+Δt),…,φm(t0+Δt))−f(φ1(t0),…,φm(t0))=f(x0+Δφ)−f(x0),
其中
Δφ=(Δφ1,…,Δφm)。
F(t0+Δt)−F(t0)=i=1∑m∂xi∂f(x0)Δφi+o(∥Δφ∥)=i=1∑m∂xi∂f(x0)[∂tj∂φi(t0)Δtj+o(∣Δtj∣)]+o(∥Δφ∥).
注意到
Δφi 是
Δtj 的线性函数加高阶无穷小,故存在常数
C,使得当
∣Δtj∣ 充分小时,
∥Δφ∥≤C∣Δtj∣,从而
o(∥Δφ∥)=o(∣Δtj∣)。于是
F(t0+Δt)−F(t0)=[i=1∑m∂xi∂f(x0)∂tj∂φi(t0)]Δtj+o(∣Δtj∣).
因此
∂tj∂F(t0)=Δtj→0limΔtjF(t0+Δt)−F(t0)=i=1∑m∂xi∂f(x0)∂tj∂φi(t0).
2.2 微分表示的不变性
定理 2.2 (全微分形式不变性)
不论
x=(x1,x2,...,xm) 是自变元,或者是依赖于另外的变元
t=(t1,t2,...,tk) 的可微函数,函数
f(x)=f(x1,x2,...,xm) 的全微分都具有相同的形式:
df(x)=i=1∑m∂xi∂f(x)dxi.
证明:
当
x 是自变元时,由全微分的定义即得。
当
x 是
t 的可微函数时,考虑复合函数
F(t)=f(x(t))。由链式法则(定理2.1),对任意
j=1,…,k,有
∂tj∂F=i=1∑m∂xi∂f(x(t))∂tj∂xi.
dF=j=1∑k∂tj∂Fdtj=j=1∑k(i=1∑m∂xi∂f(x(t))∂tj∂xi)dtj=i=1∑m∂xi∂f(x(t))(j=1∑k∂tj∂xidtj)=i=1∑m∂xi∂f(x(t))dxi,
其中
dxi=∑j=1k∂tj∂xidtj 正是
xi 的全微分。
□
定理 2.3 (微分运算法则)
设
u(x) 和
v(x) 是可微函数,
λ∈R,则有
- d(u(x)+v(x))=du(x)+dv(x)
- d(λu(x))=λdu(x)
- d(u(x)v(x))=v(x)du(x)+u(x)dv(x)
- d(v(x)u(x))=(v(x))2v(x)du(x)−u(x)dv(x),其中 v(x)=0
证明:
1.
d(u(x)+v(x))=i∑∂xi∂(u+v)dxi=i∑(∂xi∂u+∂xi∂v)dxi=i∑∂xi∂udxi+i∑∂xi∂vdxi=du(x)+dv(x)
d(λu(x))=i∑∂xi∂(λu)dxi=λi∑∂xi∂udxi=λdu(x)
d(u(x)v(x))=i∑∂xi∂(uv)dxi=i∑(v∂xi∂u+u∂xi∂v)dxi=vi∑∂xi∂udxi+ui∑∂xi∂vdxi=vdu(x)+udv(x)
d(v(x)u(x))=i∑∂xi∂(v(x)u(x))dxi=i∑(v(x))2v(x)∂xi∂u−u(x)∂xi∂vdxi=(v(x))2v(x)du(x)−u(x)dv(x)
3 高阶偏导数
3.1 高阶偏导数的定义
定义 3.1 (高阶偏导数)
设
m 元函数
f(x)=f(x1,…,xm) 在区域
D⊆Rm 上有定义。
-
一阶偏导数:若对某个
i∈{1,…,m},极限
∂xi∂f(x)=h→0limhf(x1,…,xi+h,…,xm)−f(x)
在
x∈D 处存在,则称
f 在
x 处对
xi 可偏导,并称该极限值为
f 在
x 处对
xi 的一阶偏导数。
-
高阶偏导数(归纳定义):假设对于某个正整数
n≥2,
f 的所有
n−1 阶偏导数已在
D 上定义。若某个
n−1 阶偏导数函数
g(x)=∂xi1⋯∂xin−1∂n−1f(x)
在
x∈D 处对
xin 可偏导,则称该偏导数为
f 在
x 处的一个
n 阶偏导数,记作
∂xi1⋯∂xin∂nf(x)=∂xin∂(∂xi1⋯∂xin−1∂n−1f)(x).
3.2 混合偏导数与求导顺序
定理 3.1 (二元函数二阶偏导数关于求导顺序的不变性)
若函数
f(x,y) 的两个二阶混合偏导数
fxy(x,y) 和
fyx(x,y) 在点
(x0,y0) 邻近存在,且在点
(x0,y0) 连续,那么就有
fxy(x0,y0)=fyx(x0,y0).
证明:
构造一元函数
φ(x)=f(x,y0+k)−f(x,y0),ψ(y)=f(x0+h,y)−f(x0,y).
结合一元函数有限增量公式我们有
φ(x0+h)−φ(x0)=φ′(x0+θ1h)h=(fx(x0+θ1h,y0+k)−fx(x0+θ1h,y0))h=fxy(x0+θ1h,y0+θ2k)hk.
同理
ψ(y0+h)−ψ(y0)=fyx(x0+θ3h,y0+θ4k)hk.
再结合
φ(x0+h)−φ(x0)=f(x0+h,y0+k)−f(x0+h,y0)−f(x0,y0+k)+f(x0,y0)=ψ(y0+k)−ψ(y0).
联立三式,我们让
(h,k)→(0,0) 取极限得到
fxy(x0,y0)=fyx(x0,y0).□
定义 3.2 (r 阶可微函数)
设
Ω 是
Rm 中的开集,若函数
f 和它的直到
r 阶的所有偏导数都是可微连续的,那么我们说函数
f 在开集
Ω 上是
r 阶可微连续的。我们约定
Cr(Ω) 表示所有在
Ω 上
r 阶可微连续的函数组成的集合。
定理 3.2 (偏导数关于求导顺序的不变性)
设
Ω 是
Rm 中的开集,
f∈Cr(Ω),则函数
f 的任意
2≤k≤r 阶偏导数与求导顺序无关。
(未完待续)