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隐函数求导与微分

前五节我们介绍了导数和微分定义及计算。对于一般函数而言,我们可以通过求导法则与微分法则计算它们的导数和微分, 但是有一类特殊的函数,它们由方程 F(x,y)=0F(x,y)=0 定义。虽然 yy 是 xx 的函数,但是很难甚至无法写出它们的显式表达式即 y=f(x)y=f(x) ,这类函数被称为隐函数。

🔷 定义 7:隐函数

设 F(x,y)F(x,y) 是某个定义域 DD 上的函数,如果存在一个子集 D′⊆DD'\subseteq D ,使得对任意 x∈D′x\in D' ,都有唯一的 yy ,满足

F(x,y)=0F(x,y)=0

则称方程 F(x,y)=0F(x,y)=0 确定了一个隐函数,记作 y=y(x)y=y(x) 。一般而言,隐函数无法写成 y=f(x)y=f(x) 的形式。换言之,我们只知道 yy 是 xx 的函数,但是很难甚至无法写出它们的显式表达式即 y=f(x)y=f(x) 。

但是并不是所有满足 F(x,y)=0F(x,y)=0 的方程均能定义一个隐函数。比如 x−y2=0x-y^2=0 ,此时一个 x=1x=1 可以对应两个 yy ,分别为 y1=1,y2=−1y_1=1,y_2=-1 。 因此我们想知道什么时候能够确定一个隐函数,下面引入隐函数存在性定理。

🔶 定理 8:隐函数存在唯一性定理

若函数 F(x,y)F(x,y) 满足下面条件:

(1). F(x,y)F(x,y) 在以 P0(x0,y0)P_0(x_0,y_0) 为内点的某一区域 D⊂R2D\subset R^2 上连续;

(2). F(x0,y0)=0F(x_0,y_0)=0 ;

(3). F(x,y)F(x,y) 在 DD 上存在连续的偏导数 Fy(x,y)F_y(x,y) ,且 Fy(x0,y0)≠0F_y(x_0,y_0)\ne 0 .

则

1.存在 U(P0)=(x0−a,x0+a)U(P_0)=(x_0-a,x_0+a) ,使得方程 F(x,y)=0F(x,y)=0 在 U(P0)U(P_0) 上唯一确定了一个定义在某个邻域 U(x0)U(x_0) 上的隐函数 y=f(x)y=f(x) ,且满足 F(x,f(x))≡0,y0=f(x0)F(x,f(x))\equiv 0,y_0=f(x_0) ;

  1. f(x)f(x) 在 U(P0)U(P_0) 上连续.

证:

先证1.由于 Fy(x0,y0)≠0F_{y}(x_0,y_0)\ne 0 ,不妨设 Fy(x0,y0)>0F_{y}(x_0,y_0)>0 .由于 Fy(x,y)F_{y}(x,y) 在 DD 上连续,由连续函数保号性,必存在 U′(P0)=[x0−b,x0+b]×[y0−b,y0+b]⊂DU'(P_0)=[x_0-b,x_0+b]\times [y_0-b,y_0+b]\subset D ,使得 Fy(x0,y0)>0F_{y}(x_0,y_0)>0 。

因此,对给定的 x∈[x0−b,x0+b]x\in[x_0-b,x_0+b] ,视 F(x,y)F(x,y) 为 yy 的一元函数,那么其在 [y0−b,y0+b][y_0-b,y_0+b] 严格递增且连续。又由于 F(x0,y0)=0F(x_0,y_0)=0 ,因此

F(x0,y0−b)<0, F(x0,y0+b)>0F(x_0,y_0-b)<0,\:F(x_0,y_0+b)>0

又由于条件(1)的连续性,知 F(x,y0−b)F(x,y_0-b) 与 F(x,y0+b)F(x,y_0+b) 在 x∈[x0−b,x0+b]x\in[x_0-b,x_0+b] 上也是连续的。因此由保号性,存在 0<a≤b0<a\leq b (且要求 aa 满足 F(x0−a,y0−b)<0,F(x0+a,y0+b)>0F(x_0-a,y_0-b)<0,F(x_0+a,y_0+b)>0 )。当 x∈(x0−a,x0+a)x\in(x_0-a,x_0+a) 时,有

F(x,y0−b)<0, F(x,y0+b)>0F(x,y_0-b)<0,\:F(x,y_0+b)>0

那么根据 F(x,y)F(x,y) 的连续性,对任意固定的 x′∈(x0−a,x0+a)x'\in(x_0-a,x_0+a) ,都有

F(x′,y0−b)<0, F(x′,y0+b)>0F(x',y_0-b)<0,\:F(x',y_0+b)>0

那么对 F(x′,y)F(x',y) 使用介值定理,以及单调性,知存在唯一的 y′∈(x0−b,x0+b)y'\in(x_0-b,x_0+b) ,使得 F(x′,y′)=0F(x',y')=0 ,这样就唯一确定了一个隐函数 y=f(x)y=f(x) ,且 F(x,f(x))≡0F(x,f(x))\equiv 0 .

再证2.由刚才所得,对任意 x′∈(x0−a,x0+a),y′=f(x′)x'\in(x_0-a,x_0+a),y'=f(x') ,都有

y0−b<y′<y0+by_0-b<y'<y_0+b

取足够小的 ε\varepsilon ,那么

y0−b≤y′−ε<y′<y′+ε≤y0+by_0-b\leq y'-\varepsilon<y'<y'+\varepsilon\leq y_0+b

由 F(x′,y)F(x',y) 的单调性,知

F(x′,y′−ε)<0, F(x′,y′+ε)>0F(x',y'-\varepsilon)<0,\:F(x',y'+\varepsilon)>0

因此存在唯一的 yy ,使得 F(x,y)=0F(x,y)=0 ,即 y=f(x)y=f(x) ,且 ∣y−y′∣<ε|y-y'|<\varepsilon .也即当 ∣x−x′∣<δ|x-x'|<\delta 时,有 ∣f(x)−f(x′)∣<ε|f(x)-f(x')|<\varepsilon , 因此 f(x)f(x) 在 x=x′x=x' 连续。由 x′x' 的任意性可知 f(x)f(x) 在 (x0−a,x0+a)(x_0-a,x_0+a) 上连续.

🔶 定理 9:隐函数可微性定理

设函数 F(x,y)F(x,y) 满足定理thm:隐函数存在唯一性定理条件,且在 DD 上有连续的偏导数 Fx(x,y)F_{x}(x,y) ,那么由 F(x,y)F(x,y) 所确定的隐函数 y=f(x)y=f(x) 在 U(P0)U(P_0) 上有连续的导函数 f′(x)f'(x) ,且

f′(x)=−Fx(x,y)Fy(x,y)\begin{align} f'(x)=-\frac{F_{x}(x,y)}{F_{y}(x,y)} \end{align}

证:

设 x,Δx∈(x0−a,x0+a)x,\Delta x\in(x_0-a,x_0+a) , f(x),f(x+Δ)∈(y0−b,y0+b)f(x),f(x+\Delta)\in(y_0-b,y_0+b) ,而 Δy=f(x+Δ)−f(x)=f(x+Δ)−y\Delta y=f(x+\Delta)-f(x)=f(x+\Delta)-y ,由于

F(x,y)=0,F(x+Δ,y+Δ)=0F(x,y)=0,F(x+\Delta,y+\Delta)=0

因此由二元函数中值定理thm:二元函数中值定理得

0=F(x+Δx,y+Δy)−F(x,y)=Fx(x+θΔx,y+θΔy)Δx+Fy(x+θΔx,y+θΔy)Δy0=F(x+\Delta x,y+\Delta y)-F(x,y)=F_{x}(x+\theta\Delta x,y+\theta\Delta y)\Delta x+F_{y}(x+\theta\Delta x,y+\theta\Delta y)\Delta y

其中 0<θ<10<\theta<1 ,那么

ΔyΔx=−Fx(x+θΔx,y+θΔy)Fy(x+θΔx,y+θΔy)\frac{\Delta y}{\Delta x}=-\frac{F_{x}(x+\theta\Delta x,y+\theta\Delta y)}{F_{y}(x+\theta\Delta x,y+\theta\Delta y)}

因此

f′(x)=lim⁡Δx→0=−Fx(x,y)Fy(x,y)f'(x)=\lim_{\Delta x\to 0}=-\frac{F_{x}(x,y)}{F_{y}(x,y)}
🔶 定理 10:两边求导-微分法

在求解由方程 F(x,y)=0F(x,y)=0 所确定的函数 y=f(x)y=f(x) 的导数时,我们可以直接在方程两边同时对 xx 求导,或同时取微分,也能得到 yy 的导数 f′(x)f'(x) 。即

Fx(x,y)+Fy(x,y)y′=0\begin{align} F_{x}(x,y)+F_{y}(x,y)y'=0 \end{align}

或者

d(F(x,y))=Fx(x,y)dx+Fy(x,y)dy=0\begin{align} d\left(F(x,y)\right)=F_{x}(x,y)dx+F_{y}(x,y)dy=0 \end{align}

这两个式子和式(34)是等价的,但在求解一些较为复杂的问题时,却更加方便。

笔记: 如果要求二阶导数,只需对(35)式两边再次同时求导即可。如果是更高阶导数,只需在(35)式两边一直求导,直到出现要求式即可。

📌 例 12

求由方程

F(x,y)=y−x−12sin⁡y=0F(x,y)=y-x-\frac{1}{2}\sin{y}=0

所确定的隐函数 y=f(x)y=f(x) 的导数。

解:

两边同时对 xx 求导,得

y′−1−y′2cos⁡y=0y'-1-\frac{y'}{2}\cos{y}=0

因此

y′=f′(x)=22−cos⁡yy'=f'(x)=\frac{2}{2-\cos y}
📝 练习 2

求由方程

F(x,y)=x3+y3−3axy=0F(x,y)=x^3+y^3-3axy=0

所确定的隐函数 y=f(x)y=f(x) 的导数。(答案: f′(x)=ay−x2y2−axf'(x)=\frac{ay-x^2}{y^2-ax} )