第五章 多元函数微分学
5.1 多元函数
一、邻域
设点 集合 或
称为点 的 邻域
若点
不包含在该邻域内,则称该邻域为点 的空心邻域,记为
二、内点、外点、边界点、聚点
- 内点
设
是平面点集,如果存在 的某一邻域
,则称 为 的内点
- 边界点
如果点 的任一邻域既有属于
的点,也有不属于 的点(点 本身可以属于 也可以不属于),则称 为 的边界点
即
- 外点
设
,并且存在
的某一邻域使 ,则称 为
的外点
- 边界
的边界点的集合称为 的边界
- 聚点
如果在点
的任何邻域 总含有 中非 的点,则称点 是 的一个聚点
即
点集 的聚点可以属于
,也可以不属于
例:
中 是聚点但不属于集合
例:
边界上的点都是聚点也都属于集合
三、区域
- 开集
设 是平面点集,如果点集 中每一个点都是 的内点,则称 为开集
- 区域
设 是开集,如果对于
中任何两点都可用折线连结起来且折线上的点都属于 ,则称开集
是联通的开集,联通的开集称为区域或开区域
开区域连同其边界称为闭区域
- 有界区域
对一个区域 ,如果 ,使得 内任何点到原点的距离都小于 ,则称这个区域为有界闭区域
否则成这个区域为无界闭区域
- 在 为空间 中的推广
(1)两点间的距离
设两点
则
(2)邻域的概念
邻域:
类似地,可以定义 维空间 中的内点、外点、区域点等
四、多元函数的概念
定义1 设 ,
为是书记,若 的映射,即
,则称 为定义在 上的二元函数
记为 ,其中
为自变量, 为因变量, 为 的定义域记为 ,
为函数的至于,类似地可定义三元及三元以上函数,当 时, 元函数统称为多元函数
元函数简记为:,其中
当 时叫做一元函数
当
时分别叫做二元、三元函数
二元函数
的图像: 表示一张曲面,里 的图像表示旋转抛物面
五、等值线
的图像在 为一曲面,若在定义域 上满足 (常数)的点集: 是
平面上的曲线,则将此曲线称为二元函数的等值线
六、多元函数的极值
定义2 设函数 的定义域为 , 为 的聚点,,若存在常数 时的 当
时有
成立,则称 为函数 当 时的极限,记为
或
(二重极限)
注意区分二次极限: 或
定义3 设
元函数 的定义域为 , 为 的聚点,若存在常数 使得 ,当 时,有 ,则称 为 元函数 当 时的极限(又称 重极限)
证明多元函数极限不存在,选择不同路径,极限值不相等即可
例: 令 和
例:
多元函数极限计算往往借助一元函数极限的各种公式,但不能直接应用
七、多元函数的连续性
定义4 设二元函数 的定义域 , 是 的聚点且 ,若
则称 在 处连续
定义5 设
原函数 的定义域为 , 为其聚点且 ,如果 则称 元函数 在 连续
设 是函数 定义域的聚点,如果 在 不连续则称 是 的间断点
二次函数间断点可以是孤立的点或一条或几条曲线
如果
在开区域(或闭区域)
内每一点都连续,则称函数 在
内连续,或成 是 内的连续函数
多元函数的连续性及运算法则与一元函数有类似的结果
一切多元初等函数在其定义区域内都是连续的
有界闭区域上多元连续函数的性质
- 最大和最小值定理
- 有界闭区域
上的多元连续函数,如果在
上取得两个不同的函数值 , 为介于
之间的任意数值,则至少存在点
使得
推论 如果 是连续函数 在有界闭区域 上的最小值和最大值 之间的一个数则至少存在点 使得
5.2 偏导数
设函数 ,令 暂时固定, 取得改变量 ,则过点 的水平直线上得一点 ,此时,函数的增量称为函数关于 的偏增量,记为 ,关于 的偏增量,记为
一、偏导数的概念
定义 设函数 在点 的某一领域内有定义,当 固定与 而 在 处有增量 时,相应地函数有偏增量 如果 存在,则称此函数为函数 在点 处对 的偏导数,记为 ,, 或
同理可定义函数 对 的偏导函数,记为 ,, 或
偏导数定义的本质上是导数!!!
如果函数 在区域 内任一点 处对 的偏导数都存在,那么这个偏导数就是
的函数,称为函数 对自变量 的偏导函数,记作 ,, 或 同理可定义函数 对自变量 的偏导函数,记作 ,, 或
二、函数的偏导数与函数连续性的关系
一元函数可导必连续
多元时,偏导数存在未必连续
例: 在
不连续但关于 偏导均存在
三、偏导数的几何意义
在 中,固定 是一个变量 的函数,从几何上看它是曲面 和平面 相交形成的一条曲线
偏导数 就是一元函数
在 的导数,故 表示这条曲线 在点 处的切线 对 轴的斜率,及
四、高阶偏导数
设
在
内的两个偏导数
均存在,它们都是
的函数,如果这两个函数的偏导数也存在,则称这些偏导数是函数
的
二阶偏导数 $$
$$ 后两项称为混合偏导
二阶混合偏导数相等的充分条件:偏导数连续
定理 若二元函数 的两个二阶混合偏导数 在点 处连续,则
同理,
的所有三阶偏导数都连续时有
5.3 全微分及其应用
一、全微分的概念
设 在 内有定义,
则成这两点的函数值之差为函数在点
对应于自变量增量
的全增量,记作 ,即
定义 如果全增量 可表示为 其中 是两个仅与点 有关而与 无关的常数,, 是 时关于 的高阶无穷小,则称 在 可微, 的线性主部 称为函数 在
的全微分,记为 ,又可记为
如果 在 内每点都可微,则称函数在 内可微
二、可微的性质
定理1 如果函数 在点 处可微,则该函数在点 处两个偏导数必存在且
定理2 若函数 在点 处可微,则该函数在 处必连续
两个均为 在 可微的必要非充分条件
例:
函数
在
处的两个偏导数存在但不连续故一定不可微
例:
在
连续且两个偏导数都存在但不可微
三、可微的充分条件
定理3 设函数 的两个偏导数 在点 的某领域内存在,且在 处连续,则函数在点 可微
四、全微分在近似计算中的应用
- 近似计算
- 误差分析
和、差的绝对误差不大于绝对误差的和,积、商的相对误差不大于相对误差的和
1 2 3 4
| graph TD; 偏导数连续-->可微; 可微-->偏导数存在; 可微-->函数连续;
|
5.4 多元复合函数的求导法则
一、复合函数求导的链式法则
定理 设 在点 处的偏导数均存在,函数 在对应的点 可微,则复合函数 在点 的偏导数
均存在,且有链式法则
几种情况的分析
- 中间变量多于两个的时候
设 ,则
其余类似
- 中间变量只有一个的情况
设 ,,则
- 自变量只有一个时的情况
设 则
是 的一元复合函数,它对 的导数称为全导数,有
- 设
则
二、一阶全微分形式的不变性
设 可微,若 都是自变量则
如果 不是自变量而是中间变量
,仍有
由定义
其中
这一性质称为一阶全微分形式不变性
注:高阶微分形式不具有不变性
三、复合函数的高阶偏导数
引进符号
表示对第一个中间变量
求偏导数
表示对第二个中间变量
求偏导数
表示对第一个中间变量
求偏导数,再对第二个中间变量
求偏导数,以此类推
5.5 隐函数求导法
一、一个方程的情形
定理1 设函数 满足
- 在
的某领域内有连续偏导数
则 在
的某领域内能惟一确定一个单值连续的函数 满足 ,且
定理2 设函数 满足
- 在
的某领域内有连续偏导数
则 在
的某领域内能惟一确定一个单值连续的函数 满足 ,且
二、方程组的情形
由
的偏导数组成的(雅可比)行列式
定理3 设函数 满足
- 在
的某领域内有各个变量的连续偏导数
设方程组 在点
的某一邻域能唯一确定一组单值连续的函数 满足
且有连续偏导数
两边对 求偏导得
其中要求分母
5.6 偏导数在几何上的应用
一、空间曲线的切线与法平面(线线面)
- 空间曲线由参数方程表示的情况
设空间曲线方程
中的 对 均可导
如果 都在 上连续且 ,
称这样的曲线为光滑曲线
曲线在
处的切线方程 切向量(切线的方向向量) 法平面:过 点且与切线垂直的平面
- 空间曲线方程为
如果
满足方程组隐函数存在定理的条件,则可唯一确定一组连续可微的函数 ,表明曲面
确定了一条光滑的曲线 ,其方程为
,于是曲线
在 的切向量为
二、空间曲面的切平面和法线(面面线)
- 空间曲面由隐式给出的情形
设曲面方程为
在曲面上任取一条过点 的曲线
曲线在 的切向量
显然
将方程两边对 求导,
代入 得
引入向量
则上面的方程可表示为
这表面曲面上过
点的任一曲线在该店的切向量
都与向量
垂直,所以这些切向量应该在同一平面上,称为曲面在 的切平面 切平面方程为 如果曲面具有连续转动的切平面,也就是
上均连续,称此曲面为光滑曲面
过
且与切平面垂直的直线,称为曲面在 的法线
方程为
- 曲面由显函数给出的情形
空间曲面方程为 另
曲面在 的切平面方程为
曲面在 的法线方程为
全微分的几何意义
函数 在点 的全微分,在几何上表示曲面
在点 处的切平面上竖坐标
的改变量
5.7 方向导数与梯度
一、方向导数
定义 函数的增量 与 两点间的距离
之比值,当 沿着 趋于
时,如果此比值的极限存在则称这极限为函数在点 沿方向 的方向导数,记为
方向导数与偏导数区别
方向导数:
全增量,
射线方向的变化率 单向
偏导数:
偏增量,
坐标轴方向的变化率,双向
方向导数的存在性与函数在该点的偏导数的存在性无关
例:
在 的方向导数
以及
方向导数为:
偏导数
所以 不存在
定理 如果函数 在 可微,则函数在该点沿任意方向 的方向导数都存在且有 其中 为 的方向余弦
二、梯度
设函数 在 可微,称向量 为 在 的梯度,记为 即
设 为 的单位向量则
函数 在点 沿 方向的方向导数等于 在 方向的投影
,其中 为 与
的夹角
函数 在点 的所有的方向导数不会超过 的模
当 时,
达到最大,即当 的方向就是 的方向时,
最大即沿着梯度方向,函数的变化率最大,函数值增长最快
方向导数 的最大值为
当 时当 取负梯度方向 时方向导数达到最小值为
类似地,梯度的概念可以推到三元以上的函数
设 ,则 在 的梯度为
可简记为
5.8 二元函数的泰勒公式
定理1 二元函数在
的某领域内有连续的二阶偏导数, 为此领域内的任一点,则存在
使
5.9 多元函数的极值与最大(小)值
一、无条件极值
定义 设函数 在点
的某领域内有定义对于该领域内异于 的点
若满谁不等式 则成 是函数 的极大值
若满谁不等式 》
则成 是函数 的极小值
极大值极小值统称为极值
设函数 在点 具有偏导数,且在
处有极值,则他在该点的偏导数必然为零
类似于一元函数,凡能使一阶偏导数同时为
的点均称为函数的驻点
例
的 不是极值点但
点 是 的极小值点但 不存在
定理2 (极值的充分条件)
设函数 在点
的某领域连续有一阶和二阶连续的偏导数且 另
则函数 在 是否取得极值的条件如下
- ,函数有极值
当 有极大值,当 有极小值
- ,函数无极值
-
定理失效考虑其他方法
注:定理2是针对二元函数判定极值的充分而不是必要条件
求函数
极值的一般步骤
- 解方程组
求实数解,得驻点
- 对每个驻点 ,求出二阶偏导数的值
- 定出
的符号,再判定是否是极值
二、有界闭区域上的最大值和最小值
求 在有界闭区域 上的最大值与最小值的一般步骤
- 求出 在 内的所有驻点及驻点处的函数值
- 求出
在边界上的最大最小值
- 比较 1,2 中的函数值得
上的最大最小值
- 对于实际问题若由于问题的性质 最大(小)值一定在 内取得且 在 内只有一个驻点则该店处的函数值就是
在 上的最大(小)值
三、条件极值和拉格朗日乘数法
极值问题
- 无条件极值 对自变量只有定义域的限制
- 有条件极值 对自变量除了定义域外还有其他极值
例 求 在条件 下的极值问题
称为目标函数
称为约束条件
从条件 中解出
代入 中得到 转化为一元函数 的无条件极值问题
构造函数
求出 对 的偏导数并使其为零 从中解出 及
,则 就是可能的极值点。
称为拉格朗日函数,
称为拉格朗日乘数,此方法为拉格朗日乘数法