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多元函数的微分与偏导数

(本节仅为下节引入隐函数存在定理做铺垫,不要求掌握。)

类似于一元函数,多元函数也可以研究其可微性与可导性,不过对于多元函数,其导数一般指的是其偏导数。 在定理可微与可导的关系中,我们证明了一元函数可微与可导是等价的,但是在多元函数里这个结论就不成立了,后续我们会举例说明这个结论不成立。

下面我们介绍多元函数的微分,并引入多元函数偏导数。由于二元及以上函数类似,因此下面多元函数一般指二元函数。

🔷 定义 8:二元函数的微分

设函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 P0(x0,y0)P_0(x_0,y_0) 的某邻域 U(P0)U(P_0) 上有定义,若 P(x,y)=(x0+Δx,y0+Δy)P(x,y)=(x_0+\Delta x,y_0+\Delta y) ,若 f(x,y)f(x,y) 在 PP 点的全增量 Δz\Delta z 可表示为

Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)=AΔx+BΔy+o(ρ)\begin{align} \Delta z=f(x_0+\Delta x,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0)=A\Delta x+B\Delta y+o(\rho ) \end{align}

其中 ρ=Δx2+Δy2\rho=\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2} ,则称函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 P0(x0,y0)P_0(x_0,y_0) 可微,称 AΔx+BΔyA\Delta x+B\Delta y 为函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 P0(x0,y0)P_0(x_0,y_0) 的全微分。

有时使用式(26)并不方便,我们也可以写成下面形式:

🔶 定理 11:可微的等价条件

如果函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 P0(x0,y0)P_0(x_0,y_0) 可微,则:

Δz=AΔx+BΔy+o(ρ)=AΔx+BΔy+αΔx+βΔy\begin{align} \Delta z=A\Delta x+B\Delta y+o(\rho )=A\Delta x+B\Delta y+\alpha \Delta x+\beta \Delta y \end{align}

其中

lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)α=lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)β=0\lim_{(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)}{\alpha}=\lim_{(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)}{\beta}=0

证:

只需证明

αΔx+βΔy=o(ρ)=o(Δx2+Δy2)\alpha \Delta x+\beta \Delta y=o(\rho )=o(\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2})

即可。也即证明

lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)αΔx+βΔyΔx2+Δy2=0\lim_{(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)}\frac{\alpha \Delta x+\beta \Delta y}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}=0

事实上

0≤∣αΔx+βΔyΔx2+Δy2∣≤∣αΔxΔx2+Δy2∣+∣βΔyΔx2+Δy2∣≤∣α∣+∣β∣→0   ((Δx,Δy)→(0,0))\begin{align*} &0 \leq \left|\frac{\alpha \Delta x+\beta \Delta y}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}\right|\leq \left|\frac{\alpha \Delta x}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}\right|+\left|\frac{\beta \Delta y}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}\right|\leq |\alpha|+|\beta|\to 0 \ \ \ \left((\Delta x,\Delta y)\to(0,0)\right) \end{align*}

这说明

lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)αΔx+βΔyΔx2+Δy2=0\lim_{(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)}\frac{\alpha \Delta x+\beta \Delta y}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}=0
📌 例 13

证明函数 f(x,y)=xyf(x,y)=xy 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 可微。

证:

由于

Δf=(x0+Δx)(y0+Δy)−x0y0=y0Δx+x0Δy+ΔxΔy\Delta f=(x_0+\Delta x)(y_0+\Delta y)-x_0y_0=y_0\Delta x+x_0\Delta y+\Delta x\Delta y

而

0≤∣ΔxΔyΔx2+Δy2∣≤∣Δy∣⋅∣ΔxΔx2+Δy2∣≤∣Δy∣→0   ((Δx,Δy)→(0,0))0 \leq \left|\frac{\Delta x\Delta y}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}\right|\leq |\Delta y|\cdot\left|\frac{\Delta x}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}\right|\leq |\Delta y|\to 0 \ \ \ \left((\Delta x,\Delta y)\to(0,0)\right)

这说明 ΔxΔy=o(ρ)\Delta x\Delta y=o(\rho)

从偏导数字面意思,不难猜出“偏”的意思是对一个自变量求导。事实也的确如此,如果我们要求 f(x,y)f(x,y) 对 xx 的偏导数,我们只需将 yy 看成常数,然后使用一元函数求导法则对 f(x,y)f(x,y) 求导即可。

🔷 定义 9:偏导数

设函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 定义域为 DD , (x0,y0)∈D(x_0,y_0)\in D ,且关于 xx 的一元函数 g(x)=f(x,y0)g(x)=f(x,y_0) 在 U(x0)U(x_0) 内有定义,若极限

lim⁡x→x0f(x,y0)−f(x0,y0)x−x0=lim⁡Δx→0f(x0+Δx,y0)−f(x0,y0)Δx\begin{align} \lim_{x\to x_0}\frac{f(x,y_0)-f(x_0,y_0)}{x-x_0}=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(x_0+\Delta x,y_0)-f(x_0,y_0)}{\Delta x} \end{align}

存在,则称函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 (x0,y0)∈D(x_0,y_0)\in D 可对 xx 偏导,其偏导数记为 fx(x0,y0)f_x(x_0,y_0) 或 ∂z∂x∣(x0,y0)\left.\frac{\partial z}{\partial x}\right|_{(x_0,y_0)} \ 同理,若关于 yy 的一元函数 h(x)=f(x0,y)h(x)=f(x_0,y) 在 U(y0)U(y_0) 内有定义,且极限

lim⁡y→y0f(x0,y)−f(x0,y0)y−y0=lim⁡Δy→0f(x0,y0+Δy)−f(x0,y0)Δy\begin{align} \lim_{y\to y_0}\frac{f(x_0,y)-f(x_0,y_0)}{y-y_0}=\lim_{\Delta y\to 0}\frac{f(x_0,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0)}{\Delta y} \end{align}

存在,则称函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 (x0,y0)∈D(x_0,y_0)\in D 可对 yy 偏导,其偏导数记为 fy(x0,y0)f_y(x_0,y_0) 或 ∂z∂y∣(x0,y0)\left.\frac{\partial z}{\partial y}\right|_{(x_0,y_0)} \ 如果函数在区域 DD 内可偏导,则可得到一个偏导函数,记为 fx(x,y),∂f(x,y)∂xf_x(x,y),\frac{\partial f(x,y)}{\partial x} 或 fy(x,y),∂f(x,y)∂yf_y(x,y),\frac{\partial f(x,y)}{\partial y}

定义了偏导数之后,我们可以计算微分中的 A,BA,B 具体等于多少。 由于

Δz=AΔx+BΔy+o(ρ)=AΔx+BΔy+αΔx+βΔy\Delta z=A\Delta x+B\Delta y+o(\rho )=A\Delta x+B\Delta y+\alpha \Delta x+\beta \Delta y

采用定义偏导数的思想,定义 Δy=0\Delta y=0 ,并令 Δx→0\Delta x\to 0 则

A=lim⁡Δx→0AΔx+αΔxΔx=lim⁡Δx→0ΔzΔx=lim⁡Δx→0f(x0+Δx,y0)−f(x0,y0)Δx=fx(x0,y0)A=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{A\Delta x+\alpha \Delta x}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{\Delta z}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(x_0+\Delta x,y_0)-f(x_0,y_0)}{\Delta x}=f_{x}(x_0,y_0)

同理可得

B=lim⁡Δy→0BΔx+βΔyΔy=lim⁡Δy→0ΔzΔy=lim⁡Δy→0f(x0,y0+Δy)−f(x0,y0)Δy=fy(x0,y0)B=\lim_{\Delta y\to 0}\frac{B\Delta x+\beta \Delta y}{\Delta y}=\lim_{\Delta y\to 0}\frac{\Delta z}{\Delta y}=\lim_{\Delta y\to 0}\frac{f(x_0,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0)}{\Delta y}=f_{y}(x_0,y_0)

定义了微分和偏导数之后,我们就可以讨论它们之间的关系了。

🔶 定理 12:可微和可偏导的关系

在多元函数中,可微条件更强,可微一定可偏导,但是反之不成立。

证:

经过刚才的计算,我们知道,如果函数 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 可微,那么

A=lim⁡Δx→0f(x0+Δx,y0)−f(x0,y0)ΔxA=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(x_0+\Delta x,y_0)-f(x_0,y_0)}{\Delta x}

因此 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 可对 xx 偏导,且 fx(x0,y0)=Af_{x}(x_0,y_0)=A ,同理可知 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 可对 yy 偏导,且 fy(x0,y0)=Bf_{y}(x_0,y_0)=B 。

反之我们只需取一个反例即可。我们取

f(x,y)={xyx2+y2, x2+y2≠00, x2+y2=0 f(x,y)= \begin{cases} \frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}},\ &x^2+y^2\ne 0\\ 0,\ &x^2+y^2= 0\\ \end{cases}

根据偏导数的定义,我们有

fx(0,0)=lim⁡Δx→0f(Δx,0)−f(0,0)Δx=0f_{x}(0,0)=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(\Delta x,0)-f(0,0)}{\Delta x}=0

以及

fy(0,0)=lim⁡Δy→0f(0,Δy)−f(0,0)Δy=0f_{y}(0,0)=\lim_{\Delta y\to 0}\frac{f(0,\Delta y)-f(0,0)}{\Delta y}=0

而

Δz−dz=f(0+Δx,0+Δy)−f(0,0)−fx(0,0)Δx−fy(0,0)Δy=ΔxΔyΔx2+Δy2\Delta z-dz=f(0+\Delta x,0+\Delta y)-f(0,0)-f_{x}(0,0)\Delta x-f_{y}(0,0)\Delta y=\frac{\Delta x\Delta y}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}

但是极限

lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)ΔxΔyρΔx2+Δy2\lim_{(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)}\frac{\Delta x\Delta y}{\rho\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}

即极限

lim⁡(Δx,Δy)→(0,0)ΔxΔyΔx2+Δy2\lim_{(\Delta x,\Delta y)\to(0,0)}\frac{\Delta x\Delta y}{{\Delta x^2+\Delta y^2}}

不存在(可取 Δy=0\Delta y=0 和 Δy=Δx\Delta y=\Delta x )。因此逆命题不成立。即可偏导但不一定可微

因此上述定理也称为可微的必要条件。相应的,也有可微的充分条件。

🔶 定理 13:可微的充分条件

偏导数连续条件更强,偏导数连续一定可微,但是反之不成立。

证:

设函数 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 有连续的偏导数 fx,fyf_x,f_y 。首先

Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)=[f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0+Δy)]+[f(x0,y0+Δy)−f(x0,y0)]\Delta z=f(x_0+\Delta x,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0)=[f(x_0+\Delta x,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0+\Delta y)]+[f(x_0,y_0+\Delta y)-f(x_0,y_0)]

上式中两个中括号内均是一元函数,因此均可使用Lagrange中值定理,得

Δz=fx(x0+θ1Δx,y0+Δy)Δx+fy(x0,y0+θ2Δy)Δy ,(0<θi<1)\Delta z=f_x(x_0+\theta_1\Delta x,y_0+\Delta y)\Delta x+f_y(x_0,y_0+\theta_2\Delta y)\Delta y\ , (0<\theta_i<1)

由于偏导数 fx,fyf_x,f_y 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 连续,因此

fx(x0+θ1Δx,y0+Δy)=fx(x0,y0)+αfy(x0,y0+θ2Δy)=fy(x0,y0)+β\begin{align*} &f_x(x_0+\theta_1\Delta x,y_0+\Delta y)=f_x(x_0,y_0)+\alpha\\ &f_y(x_0,y_0+\theta_2\Delta y)=f_y(x_0,y_0)+\beta \end{align*}

其中 α,β→0 , ((Δx,Δy)→(0,0))\alpha,\beta\to 0\ ,\ ((\Delta x,\Delta y)\to(0,0)) \ 因此

Δz=fx(x0,y0)Δx+fy(x0,y0)Δy+αΔx+βΔy\Delta z=f_x(x_0,y_0)\Delta x+f_y(x_0,y_0)\Delta y+\alpha \Delta x+\beta \Delta y

故由推论cor:可微的等价条件可知函数 f(x,y)f(x,y) 在点 (x0,y0)(x_0,y_0) 处可微。

反之我们只需取一个反例即可,我们取

f(x,y)={(x2+y2)sin⁡1x2+y2, x2+y2≠00, x2+y2=0 f(x,y)= \begin{cases} (x^2+y^2)\sin \frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}},\ &x^2+y^2\ne 0\\ 0,\ &x^2+y^2= 0\\ \end{cases}

我们可以先根据定义求 fx(0,0)f_x(0,0) 和 fy(0,0)f_y(0,0)

fx(0,0)=lim⁡Δx→0f(0+Δx,0)−f(0,0)Δx=lim⁡Δx→0Δxsin⁡1∣Δx∣=0f_x(0,0)=\lim_{\Delta x\to 0}\frac{f(0+\Delta x,0)-f(0,0)}{\Delta x}=\lim_{\Delta x\to 0}\Delta x\sin \frac{1}{|\Delta x|}=0

同理可得 fy(0,0)=0f_y(0,0)=0 ,因此

Δz−dz=f(0+Δx,0+Δy)−f(0,0)−fx(0,0)Δx−fy(0,0)Δy=(Δx2+Δy2)sin⁡1Δx2+Δy2\Delta z-dz=f(0+\Delta x,0+\Delta y)-f(0,0)-f_{x}(0,0)\Delta x-f_{y}(0,0)\Delta y=(\Delta x^2+\Delta y^2)\sin \frac{1}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}

而

0≤∣(Δx2+Δy2)sin⁡1Δx2+Δy2Δx2+Δy2∣≤∣Δx∣⋅∣ΔxΔx2+Δy2∣+∣Δy∣⋅∣ΔyΔx2+Δy2∣≤∣Δx∣+∣Δy∣→0 ((Δx,Δy)→(0,0))0\leq \left|\frac{(\Delta x^2+\Delta y^2)\sin \frac{1}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}\right| \leq \left|\Delta x\right|\cdot \left|\frac{\Delta x}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}\right|+\left|\Delta y\right|\cdot \left|\frac{\Delta y}{\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}}\right| \leq \left|\Delta x\right|+\left|\Delta y\right|\to 0 \ ((\Delta x,\Delta y)\to(0,0))

因此函数 f(x,y)f(x,y) 在 (0,0)(0,0) 可微,但是计算其偏导。 当 x2+y2≠0x^2+y^2\ne 0 时

fx(x,y)=2xsin⁡1x2+y2−xx2+y2cos⁡1x2+y2f_x(x,y)=2x\sin \frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}-\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}\cos \frac{1}{\sqrt{x^2+y^2}}

令 y=0y=0 ,则

fx(x,0)=2xsin⁡1∣x∣−x∣x∣cos⁡1∣x∣f_x(x,0)=2x\sin \frac{1}{|x|}-\frac{x}{|x|}\cos \frac{1}{|x|}

可知上式在 (0,0)(0,0) 间断,即偏导数并不连续。

同一元复合函数类似,二元复合函数也能求导与微分。

🔶 定理 14:复合函数的偏导数

若函数 s=f(x,y),t=g(x,y)s=f(x,y),t=g(x,y) 在区域 DD 上可微, F(s,t)F(s,t) 在 D′D' 可微,那么 F(f(x,y),g(x,y))F(f(x,y),g(x,y)) 在 S={(x,y)∣(f(x,y),g(x,y))∈D′,(x,y)∈D}S=\{(x,y)|(f(x,y),g(x,y))\in D',(x,y)\in D\} 上可微,且

∂F∂x=∂F∂s⋅∂s∂x+∂F∂t⋅∂t∂x∂F∂y=∂F∂s⋅∂s∂y+∂F∂t⋅∂t∂y\begin{align} \frac{\partial F}{\partial x}=\frac{\partial F}{\partial s}\cdot\frac{\partial s}{\partial x}+\frac{\partial F}{\partial t}\cdot\frac{\partial t}{\partial x}\\ \frac{\partial F}{\partial y}=\frac{\partial F}{\partial s}\cdot\frac{\partial s}{\partial y}+\frac{\partial F}{\partial t}\cdot\frac{\partial t}{\partial y} \end{align}

我们不再证明上述定理。

笔记: 需要注意的是,该定理不仅适用于多元函数求偏导,也适用于一元函数求导。如 y=st,s=t=xy=s^t,s=t=x ,那么

dydx=dyds⋅dsdx+dydt⋅dtdx=t⋅st−1+stln⁡s=xx+xxln⁡x=xx(1+ln⁡x)\frac{dy}{dx}=\frac{dy}{ds}\cdot\frac{ds}{dx}+\frac{dy}{dt}\cdot\frac{dt}{dx}=t\cdot s^{t-1}+s^{t}\ln s=x^x+x^x\ln x=x^x(1+\ln x)
🔶 定理 15

一般地,对于 nn 元复合函数 F(u1,u2,⋯ ,un)F(u_1,u_2,\cdots ,u_n) , ui=gi(x1,x2,⋯ ,xn)u_i=g_{i}(x_1,x_2,\cdots,x_n) ,如果 F,uiF,u_i 可微,那么

F(g1,g2,⋯ ,gn)F(g_{1},g_{2},\cdots,g_{n})

对 xix_i 的偏导数为

∂F∂xi=∑i=1n∂F∂ui⋅∂ui∂xi\begin{align} \frac{\partial F}{\partial x_i}=\sum_{i=1}^{n}\frac{\partial F}{\partial u_i}\cdot\frac{\partial u_i}{\partial x_i} \end{align}

与一元函数类似,二元函数也有中值定理。二元函数的中值定理与一元函数的Lagrange中值定理类似。

在介绍二元函数中值定理之前,先介绍一下凸区域的概念。

🔷 定义 10:凸区域

设 DD 为一区域,若任意 P1(x1,y1),P2(x2,y2)∈DP_1(x_1,y_1),P_2(x_2,y_2)\in D ,且 P1≠P2P_1\ne P_2 ,以及 0≤λ≤10\leq \lambda \leq 1 都有

P(λx1+(1−λ)x2,λy1+(1−λ)y2)=λP1+(1−λ)P2∈DP(\lambda x_1+(1-\lambda)x_2,\lambda y_1+(1-\lambda)y_2)=\lambda P_1+(1-\lambda)P_2\in D

则称区域 DD 为凸区域。

🔶 定理 16:二元函数中值定理

设二元函数 f(x,y)f(x,y) 在凸开区域 DD 上可微,则对于任意两点 P(a,b),Q(a+h,b+k)∈DP(a,b),Q(a+h,b+k)\in D ,存在实数 0<θ<10<\theta<1 ,使得

f(a+h,b+k)−f(a,b)=fx(a+θh,b+θk)h+fy(a+θh,b+θk)k\begin{align} f(a+h,b+k)-f(a,b)=f_{x}(a+\theta h,b+\theta k)h+f_{y}(a+\theta h,b+\theta k)k \end{align}

证:

令

F(t)=f(a+th,b+tk) (0≤t≤1)F(t)=f(a+th,b+tk)\ (0\leq t\leq 1)

因此 F(t)F(t) 在 [0,1][0,1] 连续, (0,1)(0,1) 上可导,使用Lagrange中值定理,有

F(1)−F(0)=F′(θ) (0<θ<1)F(1)-F(0)=F'(\theta)\ (0<\theta<1)

根据复合函数求导法则

F′(θ)=fx(a+θh,b+θk)h+fy(a+θh,b+θk)kF'(\theta)=f_{x}(a+\theta h,b+\theta k)h+f_{y}(a+\theta h,b+\theta k)k

由于 DD 为凸区域,因此 (a+θh,b+θk)∈D(a+\theta h,b+\theta k)\in D ,因此可得

f(a+h,b+k)−f(a,b)=fx(a+θh,b+θk)h+fy(a+θh,b+θk)kf(a+h,b+k)-f(a,b)=f_{x}(a+\theta h,b+\theta k)h+f_{y}(a+\theta h,b+\theta k)k