【数学二】多元函数微积分学-多元函数的微分
考试要求
1、了解多元函数的概念,了解二元函数的几何意义.
2、了解二元函数的极限与连续的概念,了解有界闭区域上二元连续函数的性质.
3、了解多元函数偏导数与全微分的概念,会求多元复合函数一阶、二阶偏导数,会求全微分,了解隐函数存在定理,会求多元隐函数的偏导数.
4、了解多元函数极值和条件极值的概念,掌握多元函数极值存在的必要条件,了解二元函数极值存在的充分条件,会求二元函数的极值,会用拉格朗日乘数法求条件极值,会求简单多元函数的最大值和最小.值,并会解决一些简单的应用问题.
5、了解二重积分的概念与基本性质,掌握二重积分的计算方法(直角坐标、极坐标).
二元函数的偏导数与全微分
偏导数定义
设函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)在点
(
x
0
,
y
0
)
(x_0,y_0)
(x0,y0)的某一领域内有定义,如果
lim
△
x
→
0
f
(
x
0
+
△
x
,
y
0
)
−
f
(
x
0
,
y
0
)
)
△
x
\lim_{\triangle x \to 0}\frac{f(x_0+\triangle x,y_0)-f(x_0,y_0))}{\triangle x}
△x→0lim△xf(x0+△x,y0)−f(x0,y0))存在,则称此极限为函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)在点
(
x
0
,
y
0
)
(x_0,y_0)
(x0,y0)处对
x
x
x的偏导数,记为
f
x
′
(
x
0
,
y
0
)
或
∂
f
(
x
0
,
y
0
)
∂
x
f_x^{'}(x_0,y_0)或\frac{\partial f(x_0,y_0)}{\partial x}
fx′(x0,y0)或∂x∂f(x0,y0)
类似地可定义
f
y
′
(
x
0
,
y
0
)
=
lim
△
y
→
0
f
(
x
0
,
y
0
+
△
y
)
−
f
(
x
0
,
y
0
)
△
y
f_y^{'}(x_0,y_0)=\lim_{\triangle y \to 0}\frac{f(x_0 ,y_0+\triangle y)-f(x_0,y_0)}{\triangle y}
fy′(x0,y0)=△y→0lim△yf(x0,y0+△y)−f(x0,y0)也可记为
∂
f
(
x
0
,
y
0
)
∂
y
\frac{\partial f(x_0,y_0)}{\partial y}
∂y∂f(x0,y0)
偏导数的几何意义
偏导数
f
x
′
(
x
0
,
y
0
)
f_x^{'}(x_0,y_0)
fx′(x0,y0)在几何上表示曲面
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)与平面
y
=
y
0
y=y_0
y=y0的交线在点
M
0
(
x
0
,
y
0
,
f
(
x
0
,
y
0
)
)
M_0(x_0,y_0,f(x_0,y_0))
M0(x0,y0,f(x0,y0))处的切线
T
x
T_x
Tx对
x
x
x轴的斜率,如下图,
f
x
′
(
x
0
,
y
0
)
=
tan
α
f_x^{'}(x_0,y_0)=\tan \alpha
fx′(x0,y0)=tanα
偏导数
f
y
′
(
x
0
,
y
0
)
f_y^{'}(x_0,y_0)
fy′(x0,y0)在几何上表示曲面
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)与平面
x
=
x
0
x=x_0
x=x0的交线在点
M
0
(
x
0
,
y
0
,
f
(
x
0
,
y
0
)
)
M_0(x_0,y_0,f(x_0,y_0))
M0(x0,y0,f(x0,y0))处的切线
T
y
T_y
Ty对
y
y
y轴的斜率,如下图,
f
y
′
(
x
0
,
y
0
)
=
tan
β
f_y^{'}(x_0,y_0)=\tan \beta
fy′(x0,y0)=tanβ
全微分定义
如果函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)在点
(
x
,
y
)
(x,y)
(x,y)处的全增量
△
z
=
f
(
x
+
△
x
,
y
+
△
y
)
−
f
(
x
,
y
)
\triangle z=f(x+\triangle x,y+\triangle y)-f(x,y)
△z=f(x+△x,y+△y)−f(x,y)可表示为
△
z
=
A
△
x
+
B
△
y
+
o
(
ρ
)
\triangle z=A\triangle x+B\triangle y+o(\rho)
△z=A△x+B△y+o(ρ)
其中
A
,
B
A,B
A,B不依赖于
△
x
,
△
y
\triangle x,\triangle y
△x,△y,仅于
x
,
y
x,y
x,y有关,
ρ
=
(
△
x
)
2
+
(
△
y
)
2
\rho=\sqrt{(\triangle x)^2+(\triangle y)^2}
ρ=(△x)2+(△y)2,则称函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)在点
(
x
,
y
)
(x,y)
(x,y)可微,
A
△
x
+
B
△
y
A\triangle x+B\triangle y
A△x+B△y称为函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)在点
(
x
,
y
)
(x,y)
(x,y)的全微分,记为
d
z
=
A
△
x
+
B
△
y
dz=A\triangle x+B\triangle y
dz=A△x+B△y
△ z = d z + o ( ρ ) \triangle z=dz+o(\rho) △z=dz+o(ρ)
全微分存在的必要定理
如果函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)在点
(
x
,
y
)
(x,y)
(x,y)处可微,则该函数在点
(
x
,
y
)
(x,y)
(x,y)处的偏导数
∂
z
∂
x
,
∂
z
∂
y
\frac{\partial z}{\partial x},\frac{\partial z}{\partial y}
∂x∂z,∂y∂z 必定存在,且
d
z
=
∂
z
∂
x
d
x
+
∂
z
∂
y
d
y
dz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy
dz=∂x∂zdx+∂y∂zdy
简记
: 可微 ⇒ 偏导数 ∂ z ∂ x , ∂ z ∂ y 必定存在 可微\Rightarrow 偏导数\frac{\partial z}{\partial x},\frac{\partial z}{\partial y} 必定存在 可微⇒偏导数∂x∂z,∂y∂z必定存在
全微分存在的充分定理
如果函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)的偏导数
∂
z
∂
x
,
∂
z
∂
y
\frac{\partial z}{\partial x},\frac{\partial z}{\partial y}
∂x∂z,∂y∂z 在点
(
x
,
y
)
(x,y)
(x,y)处连续,则函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)在该点可微
简记
: 偏导数存在 + 偏导连续 ⇒ 可微 偏导数存在+偏导连续 \Rightarrow 可微 偏导数存在+偏导连续⇒可微
练习1
:设
z
=
(
sin
y
3
+
x
2
)
(
x
+
sin
y
5
)
y
3
x
2
+
e
x
3
y
z=(\sin y^3+x^2)(x+\sin y^5)^{\frac{y^3}{x^2}+e^{x^3y}}
z=(siny3+x2)(x+siny5)x2y3+ex3y,求
∂
z
∂
x
∣
(
1
,
0
)
\frac{\partial z}{\partial x}|_{(1,0)}
∂x∂z∣(1,0)
解
: z ( x , 0 ) = ( sin y 3 + x 2 ) ( x + sin y 5 ) y 3 x 2 + e x 3 y = x 3 ∂ z ∂ x = 3 x 2 ∂ z ∂ x ∣ ( 1 , 0 ) = 3 z(x,0)=(\sin y^3+x^2)(x+\sin y^5)^{\frac{y^3}{x^2}+e^{x^3y}}=x^3\\ \quad \\ \frac{\partial z}{\partial x}=3x^2\\ \quad \\ \frac{\partial z}{\partial x}|_{(1,0)}=3 z(x,0)=(siny3+x2)(x+siny5)x2y3+ex3y=x3∂x∂z=3x2∂x∂z∣(1,0)=3
练习2
:二元函数
f
(
x
,
y
)
=
{
x
y
x
3
+
y
2
,
x
2
+
y
2
≠
0
0
,
x
2
+
y
2
=
0
f(x,y)=\begin{cases}\frac{xy}{x^3+y^2},x^2+y^2\ne 0 \\ \quad \\ 0,x^2+y^2=0\end{cases}
f(x,y)=⎩
⎨
⎧x3+y2xy,x2+y2=00,x2+y2=0在
(
0
,
0
)
(0,0)
(0,0)处连续、偏导数情况?
解
: 当 ( x , y ) 沿 y = k x 趋向于 ( 0 , 0 ) 是, lim x → 0 , y → 0 f ( x , y ) = lim x → 0 k x 2 x 3 + k 2 x 2 = 1 k f ( x , y ) 在 k 取不同值时,极限不唯一 故在 ( 0 , 0 ) 极限不存在,所以不连续 由偏导定义可知: f x ′ ( 0 , 0 ) = lim △ x → 0 f ( 0 + △ x , 0 ) − f ( 0 , 0 ) △ x = lim △ x → 0 y △ x △ x ( ( △ x ) 3 + y 2 ) = 0 同理可得: f y ′ ( 0 , 0 ) = 0 ⇒ f ( x , y ) 在 ( 0 , 0 ) 偏导数存在 综上可知: f ( x , y ) 在 ( 0 , 0 ) 处不连续,偏导数存在 当(x,y)沿y=kx趋向于(0,0) 是,\lim_{x\to 0,y\to 0}f(x,y)=\lim_{x\to 0}\frac{kx^2}{x^3+k^2x^2}=\frac{1}{k} \\ \quad \\ f(x,y)在k取不同值时,极限不唯一\\ \quad \\ 故在 (0,0)极限不存在,所以不连续 \\ \quad \\ 由偏导定义可知:f_x^{'}(0,0)=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{f(0+\triangle x ,0)-f(0,0)}{\triangle x}=\lim_{\triangle x \to 0}\frac{y\triangle x }{\triangle x((\triangle x)^3+y^2)}=0 \\ \quad \\ 同理可得:f_y^{'}(0,0)=0 \Rightarrow f(x,y)在(0,0)偏导数存在 \\ \quad \\ 综上可知:f(x,y)在(0,0)处不连续,偏导数存在 当(x,y)沿y=kx趋向于(0,0)是,x→0,y→0limf(x,y)=x→0limx3+k2x2kx2=k1f(x,y)在k取不同值时,极限不唯一故在(0,0)极限不存在,所以不连续由偏导定义可知:fx′(0,0)=△x→0lim△xf(0+△x,0)−f(0,0)=△x→0lim△x((△x)3+y2)y△x=0同理可得:fy′(0,0)=0⇒f(x,y)在(0,0)偏导数存在综上可知:f(x,y)在(0,0)处不连续,偏导数存在
练习3
:极限
lim
(
x
,
y
)
→
(
0
,
0
)
f
(
x
,
y
)
−
f
(
0
,
0
)
x
2
+
y
2
=
0
\lim_{(x,y) \to (0,0)}\frac{f(x,y)-f(0,0)}{\sqrt{x^2+y^2}}=0
lim(x,y)→(0,0)x2+y2f(x,y)−f(0,0)=0是二元函数
f
(
x
,
y
)
f(x,y)
f(x,y)处可微的?
A
、充分非必要条件
B
、必要非充分条件
C
、充分必要条件
D
、即不充分也不必要
A、充分非必要条件 \quad \quad B、必要非充分条件\\ \quad \\ C、充分必要条件 \quad \quad \quad D、即不充分也不必要
A、充分非必要条件B、必要非充分条件C、充分必要条件D、即不充分也不必要
解
: 全微分存在的充分定理:偏导存在且连续 ⇒ 可微 f y ′ ( 0 , 0 ) = lim y → 0 f ( 0 , y ) − f ( 0 , 0 ) y = lim y → 0 f ( 0 , y ) − f ( 0 , 0 ) y 2 + 0 y 2 + 0 y = 0 同理可得: f x ′ ( 0 , 0 ) = 0 ⇒ f ( x , y ) 处可微 由可微偏导数必存在可知: 取 f ( x , y ) = x + y ,函数 f ( x , y ) 在 ( 0 , 0 ) 处可微 lim ( x , y ) → ( 0 , 0 ) x + y x 2 + y 2 ( x , y ) 沿着 y = k x 趋向于 ( 0 , 0 ) 时: lim ( x , y ) → ( 0 , 0 ) x + y x 2 + y 2 = 1 + k 1 + k 2 在 k 取不同值时没有唯一常数,故极限不存在 故: lim ( x , y ) → ( 0 , 0 ) f ( x , y ) − f ( 0 , 0 ) x 2 + y 2 = 0 不是必要条件 lim ( x , y ) → ( 0 , 0 ) f ( x , y ) − f ( 0 , 0 ) x 2 + y 2 = 0 是 f ( x , y ) 在点 ( 0 , 0 ) 处充分非必要条件,选 A 全微分存在的充分定理:偏导存在且连续\Rightarrow 可微 \\ \quad \\ f_y^{'}(0,0)=\lim_{ y \to 0}\frac{f(0,y)-f(0,0)}{y}=\lim_{ y \to 0}\frac{f(0,y)-f(0,0)}{\sqrt{y^2+0}}\frac{\sqrt{y^2+0}}{y}=0\\ \quad \\ 同理可得: f_x^{'}(0,0)=0\Rightarrow f(x,y)处可微 \\ \quad \\ 由可微偏导数必存在可知 :\\ \quad \\ 取f(x,y)=x+y,函数f(x,y)在(0,0)处可微 \\ \quad \\ \lim_{(x,y) \to (0,0)}\frac{x+y}{\sqrt{x^2+y^2}}\\ \quad \\ (x,y)沿着y=kx趋向于(0,0)时:\\ \quad \\ \lim_{(x,y) \to (0,0)}\frac{x+y}{\sqrt{x^2+y^2}}=\frac{1+k}{\sqrt{1+k^2}} \\ \quad \\ 在k取不同值时没有唯一常数,故极限不存在 \\ \quad \\ 故:\lim_{(x,y) \to (0,0)}\frac{f(x,y)-f(0,0)}{\sqrt{x^2+y^2}}=0不是必要条件 \\ \quad \\ \lim_{(x,y) \to (0,0)}\frac{f(x,y)-f(0,0)}{\sqrt{x^2+y^2}}=0是f(x,y)在点(0,0)处充分非必要条件,选A 全微分存在的充分定理:偏导存在且连续⇒可微fy′(0,0)=y→0limyf(0,y)−f(0,0)=y→0limy2+0f(0,y)−f(0,0)yy2+0=0同理可得:fx′(0,0)=0⇒f(x,y)处可微由可微偏导数必存在可知:取f(x,y)=x+y,函数f(x,y)在(0,0)处可微(x,y)→(0,0)limx2+y2x+y(x,y)沿着y=kx趋向于(0,0)时:(x,y)→(0,0)limx2+y2x+y=1+k21+k在k取不同值时没有唯一常数,故极限不存在故:(x,y)→(0,0)limx2+y2f(x,y)−f(0,0)=0不是必要条件(x,y)→(0,0)limx2+y2f(x,y)−f(0,0)=0是f(x,y)在点(0,0)处充分非必要条件,选A
练习4
:函数
f
(
x
,
y
)
=
{
(
x
2
+
y
2
)
sin
1
x
2
+
y
2
,
x
2
+
y
2
≠
0
0
,
x
2
+
y
2
=
0
f(x,y)=\begin{cases}(x^2+y^2)\sin \frac{1}{x^2+y^2},\quad x^2+y^2 \ne 0 \\ \quad \\ 0,\quad x^2+y^2=0\end{cases}
f(x,y)=⎩
⎨
⎧(x2+y2)sinx2+y21,x2+y2=00,x2+y2=0在
(
0
,
0
)
(0,0)
(0,0)点是否可微?
解
: 由全微分存在的充分定理可知:( 0 , 0 )处偏导存在且偏导在( 0 , 0 )连续 由偏导定义可知: f y ′ ( 0 , 0 ) = lim y → 0 f ( 0 , y ) − f ( 0 , 0 ) y = lim y → 0 y 2 sin 1 y 2 y = 0 ( 无穷小与有界函数积为无穷小 ) 同理可得: f x ′ ( 0 , 0 ) = 0 ,综上可得: f ( x , y ) 在 ( 0 , 0 ) 点可微 由全微分存在的充分定理可知:(0,0)处偏导存在且偏导在(0,0)连续\\ \quad \\ 由偏导定义可知:f_y^{'}(0,0)=\lim_{ y \to 0}\frac{f(0 , y)-f(0,0)}{y}=\lim_{ y \to 0}\frac{y^2\sin \frac{1}{y^2}}{y}=0(无穷小与有界函数积为无穷小)\\ \quad \\ 同理可得:f_x^{'}(0,0)=0,综上可得:f(x,y)在(0,0)点可微 由全微分存在的充分定理可知:(0,0)处偏导存在且偏导在(0,0)连续由偏导定义可知:fy′(0,0)=y→0limyf(0,y)−f(0,0)=y→0limyy2siny21=0(无穷小与有界函数积为无穷小)同理可得:fx′(0,0)=0,综上可得:f(x,y)在(0,0)点可微
复合函数的偏导数与全微分
复合函数求导法则
多元函数与一元函数的复合
如果函数
u
=
φ
(
t
)
,
v
=
ψ
(
t
)
u=\varphi(t),v=\psi(t)
u=φ(t),v=ψ(t)都在点
t
t
t可导,函数
z
=
f
(
u
,
v
)
z=f(u,v)
z=f(u,v)在对应点
(
u
,
v
)
(u,v)
(u,v)具有连续一阶偏导数,则复合函数
z
=
f
(
φ
(
t
)
,
ψ
(
t
)
)
z=f(\varphi(t),\psi(t))
z=f(φ(t),ψ(t))在点
t
t
t可导,且
d
z
d
t
=
d
z
d
u
d
u
d
t
+
d
z
d
v
d
v
d
t
\frac{dz}{dt}=\frac{dz}{du}\frac{du}{dt}+\frac{dz}{dv}\frac{dv}{dt}
dtdz=dudzdtdu+dvdzdtdv
函数 z = f ( φ ( t ) , ψ ( t ) ) z=f(\varphi(t),\psi(t)) z=f(φ(t),ψ(t))仅是 t t t的一元函数,这里的 d z d t \frac{dz}{dt} dtdz称为全导数
多元函数与多元函数的复合
如果函数
u
=
φ
(
x
,
y
)
,
v
=
ψ
(
x
,
y
)
u=\varphi(x,y),v=\psi(x,y)
u=φ(x,y),v=ψ(x,y)都在点
(
x
,
y
)
(x,y)
(x,y)可导,函数
z
=
f
(
u
,
v
)
z=f(u,v)
z=f(u,v)在对应点
(
u
,
v
)
(u,v)
(u,v)具有连续一阶偏导数,则复合函数
z
=
f
(
φ
(
x
,
y
)
,
ψ
(
x
,
y
)
)
z=f(\varphi(x,y),\psi(x,y))
z=f(φ(x,y),ψ(x,y))在点
(
x
,
y
)
(x,y)
(x,y)对
x
,
y
x,y
x,y的偏导数,且
∂
z
∂
x
=
∂
z
∂
u
∂
u
∂
x
+
∂
z
∂
v
∂
v
∂
x
∂
z
∂
y
=
∂
z
∂
u
∂
u
∂
y
+
∂
z
∂
v
∂
v
∂
y
\frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x} \\ \quad \\ \frac{\partial z}{\partial y}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial y}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial y}
∂x∂z=∂u∂z∂x∂u+∂v∂z∂x∂v∂y∂z=∂u∂z∂y∂u+∂v∂z∂y∂v
练习1
:设
z
=
f
(
x
y
,
x
2
−
y
2
)
z=f(xy,x^2-y^2)
z=f(xy,x2−y2),其中
f
f
f可微,
∂
z
∂
x
=
\frac{\partial z}{\partial x}=
∂x∂z=?
解
: 由多元函数与多元函数的复合定义可知 令 u ( x , y ) = x y , v ( x , y ) = x 2 − y 2 由公式: ∂ z ∂ x = ∂ z ∂ u ∂ u ∂ x + ∂ z ∂ v ∂ v ∂ x ∂ z ∂ x = y ∂ z ∂ u + 2 x ∂ z ∂ v 由多元函数与多元函数的复合定义可知\\ \quad \\ 令u(x,y)=xy,\quad v(x,y)=x^2-y^2\\ \quad \\ 由公式:\frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x} \\ \quad \\ \frac{\partial z}{\partial x}=y\frac{\partial z}{\partial u}+2x\frac{\partial z}{\partial v} 由多元函数与多元函数的复合定义可知令u(x,y)=xy,v(x,y)=x2−y2由公式:∂x∂z=∂u∂z∂x∂u+∂v∂z∂x∂v∂x∂z=y∂u∂z+2x∂v∂z
全微分形式不变性
设
z
=
f
(
u
,
v
)
z=f(u,v)
z=f(u,v)和
u
=
φ
(
x
,
y
)
,
v
=
ψ
(
x
,
y
)
u=\varphi(x,y),v=\psi(x,y)
u=φ(x,y),v=ψ(x,y)都具有连续一阶偏导数,则复合函数
z
=
f
(
φ
(
x
,
y
)
,
ψ
(
x
,
y
)
)
z=f(\varphi(x,y),\psi(x,y))
z=f(φ(x,y),ψ(x,y))可微,且
d
z
=
∂
z
∂
x
d
x
+
∂
z
∂
y
d
y
由多元函数与多元函数复合求导规则可知
d
z
=
∂
z
∂
u
d
u
+
∂
z
∂
v
d
v
dz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy\\ \quad \\ 由多元函数与多元函数复合求导规则可知\\ \quad \\ dz=\frac{\partial z}{\partial u}du+\frac{\partial z}{\partial v}dv
dz=∂x∂zdx+∂y∂zdy由多元函数与多元函数复合求导规则可知dz=∂u∂zdu+∂v∂zdv
由此可见,无论把
z
z
z看作自变量
x
x
x和
y
y
y的函数,它的微分
d
z
=
∂
z
∂
x
d
x
+
∂
z
∂
y
d
y
和
d
z
=
∂
z
∂
u
d
u
+
∂
z
∂
v
d
v
dz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy 和dz=\frac{\partial z}{\partial u}du+\frac{\partial z}{\partial v}dv
dz=∂x∂zdx+∂y∂zdy和dz=∂u∂zdu+∂v∂zdv具有同样的形式,这个性质叫全微分形式不变性
高阶偏导数
设函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)在区域
D
D
D内具有偏导数,
∂
z
∂
x
=
f
x
′
(
x
,
y
)
,
∂
z
∂
y
=
f
y
′
(
x
,
y
)
\frac{\partial z}{\partial x}=f_x^{'}(x,y),\quad \frac{\partial z}{\partial y}=f_y^{'}(x,y)
∂x∂z=fx′(x,y),∂y∂z=fy′(x,y)
如果
f
x
′
(
x
,
y
)
f_x^{'}(x,y)
fx′(x,y)和
f
y
′
(
x
,
y
)
f_y^{'}(x,y)
fy′(x,y)的偏导数也存在,则称它们是函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)的二阶导数,二阶导数有以下四个:
∂
2
z
∂
x
2
=
∂
∂
x
∂
z
∂
x
=
f
x
x
′
′
(
x
,
y
)
,
∂
2
z
∂
x
∂
y
=
∂
∂
y
∂
z
∂
x
=
f
x
y
′
′
(
x
,
y
)
∂
2
z
∂
y
2
=
∂
∂
y
∂
z
∂
y
=
f
y
y
′
′
(
x
,
y
)
,
∂
2
z
∂
y
∂
x
=
∂
∂
x
∂
z
∂
y
=
f
y
x
′
′
(
x
,
y
)
\frac{\partial^2 z}{\partial x^2}=\frac{\partial }{\partial x}\frac{\partial z}{\partial x}=f_{xx}^{''}(x,y),\quad \frac{\partial^2 z}{\partial x\partial y}=\frac{\partial }{\partial y}\frac{\partial z}{\partial x}=f_{xy}^{''}(x,y)\\ \quad \\ \frac{\partial^2 z}{\partial y^2}=\frac{\partial }{\partial y}\frac{\partial z}{\partial y}=f_{yy}^{''}(x,y),\quad \frac{\partial^2 z}{\partial y\partial x}=\frac{\partial }{\partial x}\frac{\partial z}{\partial y}=f_{yx}^{''}(x,y)
∂x2∂2z=∂x∂∂x∂z=fxx′′(x,y),∂x∂y∂2z=∂y∂∂x∂z=fxy′′(x,y)∂y2∂2z=∂y∂∂y∂z=fyy′′(x,y),∂y∂x∂2z=∂x∂∂y∂z=fyx′′(x,y)
其中
∂
2
z
∂
x
∂
y
\frac{\partial^2 z}{\partial x\partial y}
∂x∂y∂2z和
∂
2
z
∂
y
∂
x
\frac{\partial^2 z}{\partial y\partial x}
∂y∂x∂2z称为混合偏导数,二阶及二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数。
混合偏导数相等判定定理
若函数
z
=
f
(
x
,
y
)
z=f(x,y)
z=f(x,y)的两个混合偏导数
∂
2
z
∂
x
∂
y
\frac{\partial^2 z}{\partial x\partial y}
∂x∂y∂2z和
∂
2
z
∂
y
∂
x
\frac{\partial^2 z}{\partial y\partial x}
∂y∂x∂2z在点
(
x
0
,
y
0
)
(x_0,y_0)
(x0,y0)都连续,则在
(
x
0
,
y
0
)
(x_0,y_0)
(x0,y0)点
∂
2
z
∂
x
∂
y
=
∂
2
z
∂
y
∂
x
\frac{\partial^2 z}{\partial x\partial y}=\frac{\partial^2 z}{\partial y\partial x}
∂x∂y∂2z=∂y∂x∂2z
练习1
: 设
z
=
y
x
+
x
y
f
(
y
x
)
,
f
z=\frac{y}{x}+xyf(\frac{y}{x}),f
z=xy+xyf(xy),f二阶可微,则
∂
2
z
∂
x
∂
y
=
\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=
∂x∂y∂2z=?
解
: ∂ z ∂ x = − y x 2 + y f ( y x ) + x y f ′ ( y x ) ( − y x 2 ) ∂ 2 z ∂ x ∂ y = ∂ ∂ y ∂ z ∂ x = − 1 x 2 + f ( y x ) + y f ′ ( y x ) 1 x − [ ( 2 y x ) f ′ ( y x ) + ( y 2 x 2 ) f ′ ′ ( y x ) ] = − 1 x 2 + f ( y x ) − f ′ ( y x ) y x − ( y 2 x 2 ) f ′ ′ ( y x ) \frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{y}{x^2}+yf(\frac{y}{x})+xyf^{'}(\frac{y}{x})(-\frac{y}{x^2}) \\ \quad \\\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=\frac{\partial }{\partial y}\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{1}{x^2}+f(\frac{y}{x})+yf^{'}(\frac{y}{x})\frac{1}{x}-[(\frac{2y}{x})f^{'}(\frac{y}{x})+(\frac{y^2}{x^2})f^{''}(\frac{y}{x})] \\ \quad \\ =-\frac{1}{x^2}+f(\frac{y}{x})-f^{'}(\frac{y}{x})\frac{y}{x}-(\frac{y^2}{x^2})f^{''}(\frac{y}{x}) ∂x∂z=−x2y+yf(xy)+xyf′(xy)(−x2y)∂x∂y∂2z=∂y∂∂x∂z=−x21+f(xy)+yf′(xy)x1−[(x2y)f′(xy)+(x2y2)f′′(xy)]=−x21+f(xy)−f′(xy)xy−(x2y2)f′′(xy)
练习2
:设函数
F
(
x
,
y
)
=
∫
0
x
y
sin
t
1
+
t
2
d
t
F(x,y)=\int_0^{xy}\frac{\sin t}{1+t^2}dt
F(x,y)=∫0xy1+t2sintdt,则
∂
2
F
∂
x
2
∣
x
=
0
,
y
=
2
=
\frac{\partial^2 F}{\partial x^2}|_{x=0,y=2}=
∂x2∂2F∣x=0,y=2=?
知识点
:
d
(
∫
f
(
x
)
d
x
)
=
f
(
x
)
d
x
d(\int f(x)dx)=f(x)dx
d(∫f(x)dx)=f(x)dx
解
: ∂ F ∂ x = y sin x y 1 + ( x y ) 2 ∂ 2 F ∂ x 2 = y 2 cos x y ( 1 + ( x y ) 2 ) − y sin x y ( 2 x y 2 ) ( 1 + ( x y ) 2 ) 2 ∂ 2 F ∂ x 2 ∣ x = 0 , y = 2 = 4 \frac{\partial F}{\partial x}=y\frac{\sin xy}{1+(xy)^2}\\ \quad \\ \frac{\partial^2 F}{\partial x^2}=\frac{y^2\cos xy(1+(xy)^2)-y\sin xy (2xy^2)}{(1+(xy)^2)^2} \\ \quad \\ \frac{\partial^2 F}{\partial x^2}|_{x=0,y=2}=4 ∂x∂F=y1+(xy)2sinxy∂x2∂2F=(1+(xy)2)2y2cosxy(1+(xy)2)−ysinxy(2xy2)∂x2∂2F∣x=0,y=2=4
练习3
:设
μ
=
e
−
x
sin
x
y
\mu=e^{-x}\sin \frac{x}{y}
μ=e−xsinyx,则
∂
2
μ
∂
x
∂
y
∣
x
=
2
,
y
=
1
π
=
\frac{\partial^2 \mu}{\partial x\partial y}|_{x=2,y=\frac{1}{\pi}}=
∂x∂y∂2μ∣x=2,y=π1=?
解
: ∂ μ ∂ x = − e − x sin x y + 1 y e − x cos x y ∂ μ ∂ x ∣ x = 2 , y = e − 2 ( 1 y cos 2 y − sin 2 y ) ∂ 2 μ ∂ x ∂ y ∣ x = 2 , y = 1 π = e − 2 ( − 1 y 2 cos 2 y + 2 y 3 sin 2 y + 2 y 2 cos 2 y ) = π 2 e − 2 \frac{\partial \mu}{\partial x}=-e^{-x}\sin \frac{x}{y}+\frac{1}{y}e^{-x}\cos \frac{x}{y} \\ \quad \\ \frac{\partial \mu}{\partial x}|_{x=2,y}=e^{-2}(\frac{1}{y}\cos \frac{2}{y}-\sin \frac{2}{y}) \\ \quad \\ \frac{\partial^2 \mu}{\partial x\partial y}|_{x=2,y=\frac{1}{\pi}}=e^{-2}(-\frac{1}{y^2}\cos \frac{2}{y}+\frac{2}{y^3}\sin\frac{2}{y}+\frac{2}{y^2}\cos \frac{2}{y}) \\ \quad \\ =\pi^2e^{-2} ∂x∂μ=−e−xsinyx+y1e−xcosyx∂x∂μ∣x=2,y=e−2(y1cosy2−siny2)∂x∂y∂2μ∣x=2,y=π1=e−2(−y21cosy2+y32siny2+y22cosy2)=π2e−2
隐函数的偏导数与全微分
1、由一个方程确定的隐函数 (一元函数) 求导法
设
F
(
x
,
y
)
F(x,y)
F(x,y)有连续一阶偏导数,且
F
y
′
≠
0
F_y^{'}\ne 0
Fy′=0,则由方程
F
(
x
,
y
)
=
0
F(x,y)=0
F(x,y)=0 确定的函数
y
=
y
(
x
)
y=y(x)
y=y(x)可导,且
d
y
d
x
=
−
F
x
′
F
y
′
\frac{dy}{dx}=-\frac{F_x^{'}}{F_y^{'}}
dxdy=−Fy′Fx′
2、 由一个方程式确定的隐函数(二元函数)求导法
设
F
(
x
,
y
,
z
)
F(x,y,z)
F(x,y,z)有连续一阶偏导数,且
F
z
′
≠
0
,
z
=
z
(
x
,
y
)
F_z^{'}\ne 0,z=z(x,y)
Fz′=0,z=z(x,y)由方程
F
(
x
,
y
,
z
)
=
0
F(x,y,z)=0
F(x,y,z)=0所确定,则
∂
z
∂
x
=
−
F
x
′
F
z
′
,
∂
z
∂
y
=
−
F
y
′
F
z
′
\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x^{'}}{F_z^{'}},\quad \frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{F_y^{'}}{F_z^{'}}
∂x∂z=−Fz′Fx′,∂y∂z=−Fz′Fy′
3、由方程组所确定的隐函数 (一元函数) 求导法
设
u
=
u
(
x
)
,
v
=
v
(
x
)
u=u(x) ,v=v(x)
u=u(x),v=v(x)由方程组
{
F
(
x
,
u
,
v
)
=
0
G
(
x
,
u
,
v
)
=
0
\begin{cases}F(x,u,v)=0 \\ \quad \\ G(x,u,v)=0\end{cases}
⎩
⎨
⎧F(x,u,v)=0G(x,u,v)=0所确定,要求
d
u
d
x
\frac{du}{dx}
dxdu和
d
v
d
x
\frac{dv}{dx}
dxdv,可通过原方程组两端对
x
x
x求导得到,即
{
F
x
′
+
F
u
′
d
u
d
x
+
F
v
′
d
v
d
x
=
0
,
G
x
′
+
G
u
′
d
u
d
x
+
G
v
′
d
v
d
x
=
0
\begin{cases}F_x^{'}+F_u^{'}\frac{du}{dx}+F_v^{'}\frac{dv}{dx}=0,\\ \quad \\ G_x^{'}+G_u^{'}\frac{du}{dx}+G_v^{'}\frac{dv}{dx}=0\end{cases}
⎩
⎨
⎧Fx′+Fu′dxdu+Fv′dxdv=0,Gx′+Gu′dxdu+Gv′dxdv=0然后从上方程组中解出
d
u
d
x
\frac{du}{dx}
dxdu和
d
v
d
x
\frac{dv}{dx}
dxdv
4、由方程组所确定的隐函数 (二元函数) 求导法
设
u
=
u
(
x
,
y
)
,
v
=
v
(
x
,
y
)
u=u(x,y) ,v=v(x,y)
u=u(x,y),v=v(x,y)由方程组
{
F
(
x
,
y
,
u
,
v
)
=
0
G
(
x
,
y
,
u
,
v
)
=
0
\begin{cases}F(x,y,u,v)=0 \\ \quad \\ G(x,y,u,v)=0\end{cases}
⎩
⎨
⎧F(x,y,u,v)=0G(x,y,u,v)=0所确定,要求
∂
u
∂
x
\frac{\partial u}{\partial x}
∂x∂u和
∂
v
∂
x
\frac{\partial v}{\partial x}
∂x∂v,可通过原方程组两端对
x
x
x求偏导得到,即
{
F
x
′
+
F
u
′
∂
u
∂
x
+
F
v
′
∂
v
∂
x
=
0
,
G
x
′
+
G
u
′
∂
u
∂
x
+
G
v
′
∂
v
∂
x
=
0
\begin{cases}F_x^{'}+F_u^{'}\frac{\partial u}{\partial x}+F_v^{'}\frac{\partial v}{\partial x}=0,\\ \quad \\ G_x^{'}+G_u^{'}\frac{\partial u}{\partial x}+G_v^{'}\frac{\partial v}{\partial x}=0\end{cases}
⎩
⎨
⎧Fx′+Fu′∂x∂u+Fv′∂x∂v=0,Gx′+Gu′∂x∂u+Gv′∂x∂v=0然后从上方程组中解出
∂
u
∂
x
\frac{\partial u}{\partial x}
∂x∂u和
∂
v
∂
x
\frac{\partial v}{\partial x}
∂x∂v,同理可求得
∂
u
∂
y
\frac{\partial u}{\partial y}
∂y∂u和
∂
v
∂
y
\frac{\partial v}{\partial y}
∂y∂v
练习1
:设函数
z
=
z
(
x
,
y
)
z=z(x,y)
z=z(x,y)由方程
x
y
z
+
x
2
+
y
2
+
z
2
=
2
xyz+\sqrt{x^2+y^2+z^2}=\sqrt{2}
xyz+x2+y2+z2=2确定,求
z
(
x
,
y
)
z(x,y)
z(x,y)在
(
1
,
0
,
−
1
)
(1,0,-1)
(1,0,−1)点处的全微分
解
: 令 F ( x , y , z ) = x y z + x 2 + y 2 + z 2 − 2 { ∂ z ∂ x = − F x ′ F z ′ = − y z + x x 2 + y 2 + z 2 y x + z x 2 + y 2 + z 2 = 1 , ∂ z ∂ y = − F y ′ F z ′ = − x z + y x 2 + y 2 + z 2 y x + z x 2 + y 2 + z 2 = − 2 d z = ∂ z ∂ x d x + ∂ z ∂ y d y z ( x , y ) 在 ( 1 , 0 , − 1 ) 点处的全微分 d z = d x − 2 d y 令F(x,y,z)=xyz+\sqrt{x^2+y^2+z^2}-\sqrt{2}\\ \quad \\ \begin{cases}\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x^{'}}{F_z^{'}}=- \frac{yz+\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}}{yx+\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}}=1,\\ \quad \\ \frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{F_y^{'}}{F_z^{'}}=- \frac{xz+\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}}{yx+\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}}=-\sqrt{2} \end{cases} \\ \quad \\ dz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy\\ \quad \\ z(x,y)在(1,0,-1)点处的全微分dz=dx-\sqrt{2}dy 令F(x,y,z)=xyz+x2+y2+z2−2⎩ ⎨ ⎧∂x∂z=−Fz′Fx′=−yx+x2+y2+z2zyz+x2+y2+z2x=1,∂y∂z=−Fz′Fy′=−yx+x2+y2+z2zxz+x2+y2+z2y=−2dz=∂x∂zdx+∂y∂zdyz(x,y)在(1,0,−1)点处的全微分dz=dx−2dy
练习2
:若函数
z
=
z
(
x
,
y
)
z=z(x,y)
z=z(x,y)由方程
e
x
+
2
y
+
3
z
+
x
y
z
=
1
e^{x+2y+3z}+xyz=1
ex+2y+3z+xyz=1确定,则
d
z
∣
(
0
,
0
)
=
dz|_(0,0)=
dz∣(0,0)=?
解
: 令 F ( x , y , z ) = e x + 2 y + 3 z + x y z − 1 由 x = y = 0 解得 z = 0 { ∂ z ∂ x = − F x ′ F z ′ = − e x + 2 y + 3 z + y z 3 e x + 2 y + 3 z + y x , ∂ z ∂ y = − F y ′ F z ′ = − 2 e x + 2 y + 3 z + x z 3 e x + 2 y + 3 z + y x d z = ∂ z ∂ x d x + ∂ z ∂ y d y z ( x , y ) 在 ( 0 , 0 , 0 ) 点处的全微分 d z = − 1 3 d x − 2 3 d y 令F(x,y,z)=e^{x+2y+3z}+xyz-1 由x=y=0解得z=0\\ \quad \\ \begin{cases}\frac{\partial z}{\partial x}=-\frac{F_x^{'}}{F_z^{'}}=- \frac{e^{x+2y+3z}+yz}{3e^{x+2y+3z}+yx},\\ \quad \\ \frac{\partial z}{\partial y}=-\frac{F_y^{'}}{F_z^{'}}=-\frac{2e^{x+2y+3z}+xz}{3e^{x+2y+3z}+yx} \end{cases} \\ \quad \\ dz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy\\ \quad \\ z(x,y)在(0,0,0)点处的全微分dz=-\frac{1}{3}dx-\frac{2}{3}dy 令F(x,y,z)=ex+2y+3z+xyz−1由x=y=0解得z=0⎩ ⎨ ⎧∂x∂z=−Fz′Fx′=−3ex+2y+3z+yxex+2y+3z+yz,∂y∂z=−Fz′Fy′=−3ex+2y+3z+yx2ex+2y+3z+xzdz=∂x∂zdx+∂y∂zdyz(x,y)在(0,0,0)点处的全微分dz=−31dx−32dy
练习3
: 设函数
z
=
z
(
x
,
y
)
z=z(x,y)
z=z(x,y)由参数方程
{
x
=
u
cos
v
y
=
u
sin
v
z
=
u
v
\begin{cases}x=u\cos v \\ \quad \\ y=u\sin v \\ \quad \\z=uv \end{cases}
⎩
⎨
⎧x=ucosvy=usinvz=uv给出,求
∂
z
∂
x
\frac{\partial z}{\partial x}
∂x∂z
解
: 由参数方程可得出 z = u v 可知 ∂ z ∂ x = u ∂ v ∂ x + v ∂ u ∂ x { x − u cos v = 0 ⇒ 1 − ∂ u ∂ x cos v + u sin v ∂ v ∂ x = 0 y − u sin v = 0 ⇒ 0 − ∂ u ∂ x sin v − u cos v ∂ v ∂ x = 0 解得: ∂ v ∂ x = − sin v u , ∂ u ∂ x = cos v 故: ∂ z ∂ x = − sin v + v cos v 由参数方程可得出z=uv可知\frac{\partial z}{\partial x}=u\frac{\partial v}{\partial x}+v\frac{\partial u}{\partial x}\\ \quad \\ \begin{cases}x-u\cos v=0\Rightarrow1-\frac{\partial u}{\partial x}\cos v+u\sin v\frac{\partial v}{\partial x}=0 \\ \quad \\ y-u\sin v=0\Rightarrow 0-\frac{\partial u}{\partial x}\sin v-u\cos v\frac{\partial v}{\partial x}=0\end{cases}\\ \quad \\ 解得:\frac{\partial v}{\partial x}=-\frac{ \sin v}{u},\frac{\partial u}{\partial x}=\cos v\\ \quad \\ 故:\frac{\partial z}{\partial x}=-\sin v+v\cos v 由参数方程可得出z=uv可知∂x∂z=u∂x∂v+v∂x∂u⎩ ⎨ ⎧x−ucosv=0⇒1−∂x∂ucosv+usinv∂x∂v=0y−usinv=0⇒0−∂x∂usinv−ucosv∂x∂v=0解得:∂x∂v=−usinv,∂x∂u=cosv故:∂x∂z=−sinv+vcosv
练习4
:设
z
=
f
(
x
+
y
,
x
−
y
)
,
f
(
x
,
y
)
z=f(x+y,x-y),f(x,y)
z=f(x+y,x−y),f(x,y)的二阶偏导连续,则
∂
2
z
∂
x
∂
y
=
\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=
∂x∂y∂2z=?
解
: 令 u ( x , y ) = x + y , v ( x , y ) = x − y ,则 z = f ( u , v ) ∂ z ∂ x = ∂ f ∂ u ∂ u ∂ x + ∂ f ∂ v ∂ v ∂ x = f u ′ + f v ′ ∂ 2 z ∂ x ∂ y = ∂ ∂ y ∂ z ∂ x = ∂ ∂ y ( f u ′ ( u , v ) + f v ′ ( u , v ) ) = ∂ f u ′ ( u , v ) ∂ u ∂ u ∂ y + ∂ f u ′ ( u , v ) ∂ v ∂ v ∂ y + ∂ f v ′ ( u , v ) ∂ u ∂ u ∂ y + ∂ f v ′ ( u , v ) ∂ v ∂ v ∂ y = f u u ′ ′ ( u , v ) − f u v ′ ′ ( u , v ) + f v u ′ ′ ( u , v ) − f v v ′ ′ ( u , v ) 由二阶偏导连续,混合偏导数相等: f v u ′ ′ ( u , v ) = f u v ′ ′ ( u , v ) 故: ∂ 2 z ∂ x ∂ y = f u u ′ ′ ( u , v ) − f v v ′ ′ ( u , v ) 由全微分形式不变性可调整为: ∂ 2 z ∂ x ∂ y = f x x ′ ′ ( x , y ) − f y y ′ ′ ( x , y ) 令u(x,y)=x+y,v(x,y)=x-y ,则z=f(u,v)\\ \quad \\ \frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial f}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial f}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x}=f_u{'}+f_v{'} \\ \quad \\ \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=\frac{\partial}{\partial y}\frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial}{\partial y}(f_u{'}(u,v)+f_v{'}(u,v))\\ \quad \\ =\frac{\partial f_u{'}(u,v)}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial y}+\frac{\partial f_u{'}(u,v)}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial y}+\frac{\partial f_v{'}(u,v)}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial y}+\frac{\partial f_v{'}(u,v)}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial y} \\ \quad \\ =f_{uu}{''}(u,v)-f_{uv}{''}(u,v)+f_{vu}{''}(u,v)-f_{vv}{''}(u,v)\\ \quad \\ 由二阶偏导连续,混合偏导数相等:f_{vu}{''}(u,v)=f_{uv}{''}(u,v)\\ \quad \\ 故:\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=f_{uu}{''}(u,v)-f_{vv}{''}(u,v)\\ \quad \\ 由全微分形式不变性可调整为:\\ \quad \\ \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}=f_{xx}{''}(x,y)-f_{yy}{''}(x,y) 令u(x,y)=x+y,v(x,y)=x−y,则z=f(u,v)∂x∂z=∂u∂f∂x∂u+∂v∂f∂x∂v=fu′+fv′∂x∂y∂2z=∂y∂∂x∂z=∂y∂(fu′(u,v)+fv′(u,v))=∂u∂fu′(u,v)∂y∂u+∂v∂fu′(u,v)∂y∂v+∂u∂fv′(u,v)∂y∂u+∂v∂fv′(u,v)∂y∂v=fuu′′(u,v)−fuv′′(u,v)+fvu′′(u,v)−fvv′′(u,v)由二阶偏导连续,混合偏导数相等:fvu′′(u,v)=fuv′′(u,v)故:∂x∂y∂2z=fuu′′(u,v)−fvv′′(u,v)由全微分形式不变性可调整为:∂x∂y∂2z=fxx′′(x,y)−fyy′′(x,y)