第十二章 多元函数的微分学

本章包含多元函数微分学相关的重要定理。

§1 偏导数

定义 偏导数

设函数 在点 的某个邻域内有定义。如果极限

存在且有限,则称此极限值为 处关于 偏导数,记为 。类似定义关于 的偏导数

例子:定义 偏导数 — 例子

定义 可微(多元)

设函数 的某个邻域内有定义。如果存在常数 ,使得

则称 可微 称为 处的全微分,记为

例子:定义 可微(多元) — 例子

定义 高阶偏导数

的偏导数 仍可对 求偏导,则称其为 二阶偏导数,记为

其中 称为混合偏导数。类似可定义更高阶的偏导数。

例子:定义 高阶偏导数 — 例子

定义 向量值函数的导数(Jacobi矩阵)

。若每个分量 处可微,则称矩阵

处的 Jacobi矩阵(或导数),其行列式称为 Jacobi行列式

例子:定义 向量值函数的导数(Jacobi矩阵) — 例子

定义 方向导数

设函数 的某个邻域内有定义, 是一非零向量, 方向的单位向量。如果极限

存在,则称此极限值为 处沿方向 方向导数,记为

例子:定义 方向导数 — 例子

定义 梯度

处可微,则称向量

处的梯度

例子:定义 梯度 — 例子

定义 极值(多元)

的某个邻域内有定义。若对该邻域中一切 ,成立 (或 ),则称 的一个极大值(或极小值), 称为极值点

例子:定义 极值(多元) — 例子

定义 隐函数

在区域 上有定义。若方程 在某条件下确定了一个函数 ,使得 ,则称 为由方程 所确定的隐函数

例子:定义 隐函数 — 例子

定理 偏导数与连续性

定理陈述:多元函数在某点存在偏导数,不能保证函数在该点连续。

证明

核心想法:举反例。偏导数只控制沿坐标轴方向的行为,不控制其他方向。

第1步:构造反例:

第2步:计算偏导数。。同理 偏导数存在。

第3步:但沿 趋于原点时,极限依赖于 ,所以 不存在,连续

证毕

意义偏导数存在是比连续性更弱的条件,这与一元函数中”可导 连续”形成鲜明对比。

例子:定理 偏导数与连续性 — 例子

定理 混合偏导数相等

定理陈述:若 在点 连续,则

证明

核心想法:考虑二阶差商 ,用两种方式计算它,分别得到 的近似。

第1步:令

第2步:方式一——先对 用微分中值定理。令 ,则

Lagrange中值定理

再对 中值定理

第3步:方式二——先对 用中值定理。令 ,则

类似地,

第4步:两种方式结果相等:

第5步:令 ,由 连续性

证毕

例子:定理 混合偏导数相等 — 例子

§2 全微分

定理 可微的必要条件

定理陈述:若函数 在点 可微,则 在该点连续,且偏导数存在。

证明

核心想法可微意味着 ,令 连续性;分别令 偏导数存在。

第1步:可微的定义是:,其中

第2步(连续性):令 ,则 ,所以 连续

第3步(偏导数存在):令

所以 。同理 偏导数存在)。

证毕

例子:定理 可微的必要条件 — 例子

定理 可微的充分条件

定理陈述:若函数 的偏导数在点 的某邻域内存在且在该点连续,则 在该点可微。

证明

核心想法:将 拆成两步变化,每步用一元微分中值定理

第1步

.

第2步:第一个方括号对 Lagrange中值定理

.

第二个方括号对 中值定理

.

第3步:由偏导数连续

,其中 (当 )。

,其中

第4步

第5步(因为 )。

所以 可微

证毕

例子:定理 可微的充分条件 — 例子

§3 复合函数求导

定理 链式法则

定理陈述:设 ,若 可微偏导数,则:

证明

核心想法 可微,所以 ,两边除以 取极限。

第1步:给 一个增量 不变),则 有增量

第2步:因为 可微

第3步:两边除以

第4步:令 。因为 偏导数

第5步.

第6步:所以

证毕

例子:定理 链式法则 — 例子

§4 方向导数与梯度

定理 方向导数与梯度的关系

定理陈述:若 在点 可微,则 在点 沿方向 方向导数为:

证明

核心想法方向导数是沿射线 的变化率,用链式法则计算。

第1步:设 (单位向量),则沿 方向的参数曲线为

第2步方向导数定义为:

第3步:令 。由链式法则

第4步:由内积公式,,其中 的夹角(梯度与方向的夹角)。

证毕

例子:定理 方向导数与梯度的关系 — 例子

定理 梯度的几何意义

定理陈述:梯度方向是函数值增长最快的方向,梯度模是函数在该方向的变化率。

证明

核心想法:由定理12.4.1,方向导数 ,当 时取最大值。

第1步:由定理12.4.1,方向导数 ,其中 是梯度方向与 方向的夹角。

第2步,所以

第3步:等号成立当且仅当 ,即 同向。

所以梯度方向是增长最快的方向,最大变化率为

证毕

例子:定理 梯度的几何意义 — 例子

§5 Taylor公式

定理 多元函数的Taylor公式

定理陈述:设 在点 的某邻域内有 阶连续偏导数,则在该邻域内:

其中 )。

证明

核心想法:令 ,化为一元函数的Taylor公式

第1步:定义 。则

第2步:由链式法则

,一般地

第3步:对 处用一元Taylor公式

第4步:代入 ,即得结论。

证毕

例子:定理 多元函数的Taylor公式 — 例子

§6 隐函数存在定理

定理 一个方程的情形

定理陈述:设 在点 的某邻域内有连续偏导数,且 ,则存在唯一的隐函数 ,满足 ,且

证明

核心想法:不妨设 。由连续性 在附近为正, 关于 严格递增。用介值定理对每个 附近确定唯一的

第1步:不妨设 。由 连续,存在 ,在

第2步 关于 严格递增。,所以

第3步:由 连续,存在 ,当

第4步:对每个 从负到正严格递增,由介值定理,存在唯一的 使得

第5步(连续性):设 有界,若 的某子列,由 连续。由唯一性,。所以 连续

第6步(可微性):给 增量 有增量

可微。除以 取极限:,所以

证毕

例子:定理 一个方程的情形 — 例子

定理 方程组的情形

定理陈述:设 在点 的某邻域内有连续偏导数,,且Jacobi行列式 ,则存在唯一的隐函数组

证明

核心想法:与一个方程情形类似, 保证可以解出 。用迭代法或压缩映射原理。

第1步Jacobi行列式)。

第2步:不妨设 (若 ,可交换讨论)。由定理12.6.1,从 可解出

第3步:代入 。验证

隐函数求导,所以

第4步:再由定理12.6.1,从 可解出 。然后

证毕

例子:定理 方程组的情形 — 例子

§7 极值问题

定理 极值的必要条件

定理陈述:若 在点 有极值且偏导数存在,则

证明

核心想法极值点处,沿每个坐标轴方向都是一元函数的极值点。

第1步:设 取极值。令 ,则 取极值。

第2步。由一元函数极值的必要条件(Fermat引理),,即

第3步:同理令 ,得

证毕

例子:定理 极值的必要条件 — 例子

定理 极值的充分条件

定理陈述:设 在点 的某邻域内有二阶连续偏导数,且 。记 ,则:

  1. ,则 是极小值点
  2. ,则 是极大值点
  3. ,则 不是极值点

证明

核心想法:用Taylor公式展开到二阶,分析二次型的正定性。

第1步:由Taylor公式,在驻点处一阶项为零:

第2步二次型 的正定性由 决定。

第3步 时配方)。

第4步:若 时),所以 正定 足够小时),极小值。

第5步:若 时), 负定,极大值。

第6步:若 :取 ;取 。两者异号( 保证),所以 不定,在 附近 可增可减,不是极值。

证毕

例子:定理 极值的充分条件 — 例子

定理 条件极值(Lagrange乘数法)

定理陈述:在约束条件 下求 的极值,若 是条件极值点且 ,则存在 使得

证明

核心想法:在约束曲线上,极值点梯度必须与约束曲线正交,即 平行于

第1步:设 (否则 ,类似处理)。由隐函数定理,约束条件确定

第2步:令 是条件极值点,所以

第3步:由链式法则

第4步:对 求导:,所以

第5步:代入:,即

第6步:令这个比值为 ,则 ,即

证毕

例子:定理 条件极值(Lagrange乘数法) — 例子

相关链接

来源引用

  • [数学分析 陈纪修 第三版 下](raw/数学分析 陈纪修 第三版 下/full.md)