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【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} x0limxf(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)xf(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)=y0limyf(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} yf(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 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
在这里插入图片描述

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 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=Ax+By+o(ρ)
其中 A , B A,B A,B不依赖于 △ x , △ y \triangle x,\triangle y xy,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 Ax+By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=Ax+By

△ 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} xzyz 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=xzdx+yzdy

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xzyz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} xzyz 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)} xz(1,0)

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=x3xz=3x2xz(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 ( 0 , 0 ) (0,0) (0,0)处连续、偏导数情况?

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 (x,y)沿y=kx趋向于(0,0)是,x0,y0limf(x,y)=x0limx3+k2x2kx2=k1f(x,y)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)=x0limxf(0+x,0)f(0,0)=x0limx((x)3+y2)yx=0同理可得:fy(0,0)=0f(x,y)(0,0)偏导数存在综上可知:f(x,y)(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+y2 f(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

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)=y0limyf(0,y)f(0,0)=y0limy2+0 f(0,y)f(0,0)yy2+0 =0同理可得:fx(0,0)=0f(x,y)处可微由可微偏导数必存在可知:f(x,y)=x+y,函数f(x,y)(0,0)处可微(x,y)(0,0)limx2+y2 x+y(x,y)沿着y=kx趋向于(0,0)时:(x,y)(0,0)limx2+y2 x+y=1+k2 1+kk取不同值时没有唯一常数,故极限不存在故:(x,y)(0,0)limx2+y2 f(x,y)f(0,0)=0不是必要条件(x,y)(0,0)limx2+y2 f(x,y)f(0,0)=0f(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 ( 0 , 0 ) (0,0) (0,0)点是否可微?

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: 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:(00)处偏导存在且偏导在(00)连续由偏导定义可知:fy(0,0)=y0limyf(0,y)f(0,0)=y0limyy2siny21=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)(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) 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} xz=uzxu+vzxvyz=uzyu+vzyv

练习1:设 z = f ( x y , x 2 − y 2 ) z=f(xy,x^2-y^2) z=f(xy,x2y2),其中 f f f可微, ∂ z ∂ x = \frac{\partial z}{\partial x}= xz=?

: 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u(x,y)=xy,v(x,y)=x2y2由公式:xz=uzxu+vzxvxz=yuz+2xvz


全微分形式不变性

z = f ( u , v ) z=f(u,v) z=f(u,v) 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=xzdx+yzdy由多元函数与多元函数复合求导规则可知dz=uzdu+vzdv
由此可见,无论把 z z z看作自变量 x x x 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=xzdx+yzdydz=uzdu+vzdv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) xz=fx(x,y)yz=fy(x,y)

如果 f x ′ ( x , y ) f_x^{'}(x,y) fx(x,y) 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) x22z=xxz=fxx′′(x,y)xy2z=yxz=fxy′′(x,y)y22z=yyz=fyy′′(x,y)yx2z=xyz=fyx′′(x,y)
其中 ∂ 2 z ∂ x ∂ y \frac{\partial^2 z}{\partial x\partial y} xy2z ∂ 2 z ∂ y ∂ x \frac{\partial^2 z}{\partial y\partial x} yx2z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} xy2z ∂ 2 z ∂ y ∂ x \frac{\partial^2 z}{\partial y\partial x} yx2z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) ∂ 2 z ∂ x ∂ y = ∂ 2 z ∂ y ∂ x \frac{\partial^2 z}{\partial x\partial y}=\frac{\partial^2 z}{\partial y\partial x} xy2z=yx2z

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}= xy2z=?

: ∂ 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}) xz=x2y+yf(xy)+xyf(xy)(x2y)xy2z=yxz=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}= x22Fx=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

∂ 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 xF=y1+(xy)2sinxyx22F=(1+(xy)2)2y2cosxy(1+(xy)2)ysinxy(2xy2)x22Fx=0,y=2=4

练习3:设 μ = e − x sin ⁡ x y \mu=e^{-x}\sin \frac{x}{y} μ=exsinyx,则 ∂ 2 μ ∂ x ∂ y ∣ x = 2 , y = 1 π = \frac{\partial^2 \mu}{\partial x\partial y}|_{x=2,y=\frac{1}{\pi}}= xy2μx=2,y=π1=

∂ 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} xμ=exsinyx+y1excosyxxμx=2,y=e2(y1cosy2siny2)xy2μx=2,y=π1=e2(y21cosy2+y32siny2+y22cosy2)=π2e2


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
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=FyFx


2、 由一个方程式确定的隐函数(二元函数)求导法
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^{'}} xz=FzFx,yz=FzFy

3、由方程组所确定的隐函数 (一元函数) 求导法
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 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+Fudxdu+Fvdxdv=0Gx+Gudxdu+Gvdxdv=0然后从上方程组中解出 d u d x \frac{du}{dx} dxdu 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
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} xu ∂ v ∂ x \frac{\partial v}{\partial x} xv,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+Fuxu+Fvxv=0Gx+Guxu+Gvxv=0然后从上方程组中解出 ∂ u ∂ x \frac{\partial u}{\partial x} xu ∂ v ∂ x \frac{\partial v}{\partial x} xv,同理可求得 ∂ u ∂ y \frac{\partial u}{\partial y} yu ∂ v ∂ y \frac{\partial v}{\partial y} yv

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) ( 1 , 0 , − 1 ) (1,0,-1) (1,0,1)点处的全微分

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 F(x,y,z)=xyz+x2+y2+z2 2 xz=FzFx=yx+x2+y2+z2 zyz+x2+y2+z2 x=1,yz=FzFy=yx+x2+y2+z2 zxz+x2+y2+z2 y=2 dz=xzdx+yzdyz(x,y)(1,0,1)点处的全微分dz=dx2 dy


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)=?

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 F(x,y,z)=ex+2y+3z+xyz1x=y=0解得z=0 xz=FzFx=3ex+2y+3z+yxex+2y+3z+yz,yz=FzFy=3ex+2y+3z+yx2ex+2y+3z+xzdz=xzdx+yzdyz(x,y)(0,0,0)点处的全微分dz=31dx32dy


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} xz

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xz=uxv+vxu xucosv=01xucosv+usinvxv=0yusinv=00xusinvucosvxv=0解得:xv=usinvxu=cosv故:xz=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,xy),f(x,y)的二阶偏导连续,则 ∂ 2 z ∂ x ∂ y = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}= xy2z=?

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) u(x,y)=x+yv(x,y)=xy,则z=f(u,v)xz=ufxu+vfxv=fu+fvxy2z=yxz=y(fu(u,v)+fv(u,v))=ufu(u,v)yu+vfu(u,v)yv+ufv(u,v)yu+vfv(u,v)yv=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:xy2z=fuu′′(u,v)fvv′′(u,v)由全微分形式不变性可调整为:xy2z=fxx′′(x,y)fyy′′(x,y)


http://www.kler.cn/news/359666.html

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