<高等数学>AM5 多元函数

本文最后更新于:2023年10月27日 中午

AM5 多元函数

AM5.1 平面点集

平面上点的集合称为 平面点集。平面点集可表示为 E={(x,y)x 和 y 的性质}E=\{(x,y)|x\ 和\ y\ 的性质\}

平面上所有点的集合为 R2=R×R={(x,y)x,yR}R^2=R\times R=\{(x,y)|x,y\in R\}

距某一点 P0P_0 的距离小于指定半径的点的集合称为其 邻域,记为 U(P0,δ)={PPP0<δ}U(P_0,\delta)=\{P||PP_0|<\delta\}

P0P_0去心邻域 记为 U(P0,δ)={P0<PP0<δ}\overset{\circ}U(P_0,\delta)=\{P|0<|PP_0|<\delta\}

对于平面点集 EE,平面中任取一点 P0P_0

  • 若存在邻域 U(P0)EU(P_0)\subseteq E,则称 P0P_0EE内点

  • 若存在邻域 U(P0)E=U(P_0)\cap E=\empty 则称 P0P_0EE外点

  • P0P_0 的任意邻域总有 U(P0)EU(P_0)\cap E\not=\emptyU(P0)⊈EU(P_0)\not\subseteq E,则称 P0P_0EE边界点

    所有边界点的集合称为 EE边界,记为 \partialial E

    顺便一提,这个 \partialial 符号(\partialial)我找了好久才找到!希望数学家写符号的时候能做个人!

  • 任取 δ>0\delta>0,若总有 U(P0,δ)E\overset{\circ}U(P_0,\delta)\cap E\not=\empty,则称 P0P_0EE聚点。聚点包括内点和边界点。

若平面点集 EE 内的所有点都是其内点,则称 EE开集。若平面点集 EE 包含其所有边界点,则称 EE闭集

若平面点集 EE 内的任意两点可用折线连接,且该折线上的点都在 EE 内,则称 EE连通集。否则称 EE非连通集

连通的开集称为 区域(开区域)。若区域包含其所有的边界点,则称之为 闭区域

# n 维空间

对于 Rn={(x1,x2,,xn)xiR, i=1,2,,n}R^n=\{(x_1,x_2,\ldots,x_n)|x_i\in R,\ i=1,2,\ldots,n\} 称为 n 维空间。其中 xix_i 称为 分量

n 维空间中的向量加法为 x+y=(x1+y1,x2+y2,,xn+yn)x+y=(x_1+y_1,x_2+y_2,\ldots,x_n+y_n)

n 维空间中的向量数乘为 λx=(λx1,λx2,,λxn)\lambda x=(\lambda x_1,\lambda x_2,\ldots,\lambda x_n)

n 维空间中两点的距离为 xy=ρ(x,y)=(x1y1)2+(x2y2)2++(xnyn)2||x-y||=\rho(x,y)=\sqrt{(x_1-y_1)^2+(x_2-y_2)^2+\ldots+(x_n-y_n)^2},若 ρ(x,a)0\rho(x,a)\rarr 0 则称 xxaa 逼近,记为 xax\rarr a

n 维空间中向量的长度为 x=ρ(x,0)||x||=\rho(x,0)

n 维空间中点的邻域 U(a,δ)={xxRn, ρ(x,a)<δ}U(a,\delta)=\{x|x\in R^n,\ \rho(x,a)<\delta\}

# 多元函数的极限

一元极限:若 xx0x\rarr x_0 时,f(x)af(x)\rarr a,则 limxx0f(x)=a{\lim_{x\rarr x_0}\\}f(x)=axx0x\rarr x_0 的逼近方式有 xx0+x\rarr x_0^+xx0x\rarr x_0^-

二元极限:若 (x,y)(x0,y0)(x,y)\rarr (x_0,y_0) 时,f(x,y)af(x,y)\rarr a,则 lim(x,y)(x0,y0)f(x,y)=a{\lim_{(x,y)\rarr (x_0,y_0)}\\}f(x,y)=a(x,y)(x0,y0)(x,y)\rarr (x_0,y_0) 的逼近方式有无数种。

AM5.2 偏导数

对于 z=f(x,y)z=f(x,y),把 yy 固定为 y0y_0,而 xxx0x_0 处有增量 Δx0\Delta x\rarr 0 时,其增量 Δz=f(x0+Δx, y0)f(x0, y0)\Delta z=f(x_0+\Delta x,\ y_0)-f(x_0,\ y_0) 称为 偏增量

limΔx0f(x0+Δx, y0)f(x0, y0)Δx{\lim_{\Delta x\rarr 0}\\}\dfrac{f(x_0+\Delta x,\ y_0)-f(x_0,\ y_0)}{\Delta x} 为函数 z=f(x,y)z=f(x,y)xx偏导数

函数 z=f(x,y)z=f(x,y)xx 的偏导数有四种表示方法:zxyx==y0x0fxyx==y0x0zxfx(x0, y0)\dfrac{\partial z}{\partial x}\bigg|_{\overset{x}{y}\overset{=}{=}\overset{x_0}{y_0}}\quad\dfrac{\partial f}{\partial x}\bigg|_{\overset{x}{y}\overset{=}{=}\overset{x_0}{y_0}}\quad z'_{x}\quad f'_x(x_0,\ y_0)

zxyx==y0x0\dfrac{\partial z}{\partial x}\bigg|_{\overset{x}{y}\overset{=}{=}\overset{x_0}{y_0}}

同样的,把 xx 固定为 x0x_0,而 yyy0y_0 处有增量 Δy0\Delta y\rarr 0 时,称 limΔy0f(x0, y0+Δy)f(x0, y0)Δx{\lim_{\Delta y\rarr 0}\\}\dfrac{f(x_0,\ y_0+\Delta y)-f(x_0,\ y_0)}{\Delta x} 为函数 z=f(x,y)z=f(x,y)yy 的偏导数。

z=f(x, y)z=f(x,\ y)xx 的偏导数存在,则 z=f(x, y0)z=f(x,\ y_0) 曲线在 (x0, y0)(x_0,\ y_0) 处连续。同样的,若 z=f(x, y)z=f(x,\ y)yy 的偏导数存在,则 z=f(x0, y)z=f(x_0,\ y) 曲线在 (x0, y0)(x_0,\ y_0) 处连续。但曲面 z=f(x, y)z=f(x,\ y)(x0,y0)(x_0, y_0) 处不一定连续。

AM5.3 全微分

对于 z=f(x,y)z=f(x,y)xxx0x_0 处有增量 Δx0\Delta x\rarr 0,且 yyy0y_0 处有增量 Δy0\Delta y\rarr 0 时,其增量 Δz=f(x0+Δx, y0+Δy)f(x0, y0)\Delta z=f(x_0+\Delta x,\ y_0+\Delta y)-f(x_0,\ y_0) 称为 全增量

z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 (x, y)(x,\ y) 的邻域内有定义,产生增量 Δx, Δy\Delta x,\ \Delta y。若 Δz=AΔx+BΔy+o(ρ)\Delta z=A\Delta x+B\Delta y+o(\rho),其中 A, BA,\ Bx, yx,\ y 的函数且与 Δx, Δy\Delta x,\ \Delta y 无关,而 ρ=(Δx)2+(Δy)2\rho=\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2},则 dz=AΔx+BΔy\operatorname{dz}=A\Delta x+B\Delta y 记为 zz全微分

可见,dz\operatorname{dz} 是函数改变的近似值。

  • 可微的必要条件

    z=f(x, y)z=f(x,\ y) 在点 (x, y)(x,\ y) 处可微,则偏导数 fx(x, y)f'_x(x,\ y)fy(x, y)f'_y(x,\ y) 存在,且

    dz=fx(x, y)Δx+fy(x, y)Δy\operatorname{dz}=f'_x(x,\ y)\Delta x+f'_y(x,\ y)\Delta y

    证明过程

    偏导数存在是可微的必要条件。

  • 可微的充分条件

    z=f(x, y)z=f(x,\ y) 在点 (x, y)(x,\ y) 的某邻域内有连续的偏导数 fx(x, y)f'_x(x,\ y)fy(x, y)f'_y(x,\ y),则其在该处可微

dx=Δx\operatorname{dx}=\Delta xdy=Δy\operatorname{dy}=\Delta y,此时 dxz=fx(x, y)dx\operatorname{d_x{z}}=f'_x(x,\ y)\operatorname{dx} 称为关于 xx偏微分dyz=fx(x, y)dy\operatorname{d_y{z}}=f'_x(x,\ y)\operatorname{dy} 为关于 yy 的偏微分。dz=dxz+dyz\operatorname{dz}=\operatorname{d_x{z}}+\operatorname{d_y{z}}

AM5.4 多元复合函数求导

若有 z=f(u, v)u=φ(t)v=ψ(t)z=f(u,\ v)\quad u=\varphi(t)\quad v=\psi(t),则 dzdt=zududt+zvdzdt\dfrac{\operatorname{dz}}{\operatorname{dt}}=\dfrac{\partial z}{\partial u}\dfrac{\operatorname{du}}{\operatorname{dt}}+\dfrac{\partial z}{\partial v}\dfrac{\operatorname{dz}}{\operatorname{dt}}

若有 z=f(u, v)u=φ(x, y)v=ψ(x, y)z=f(u,\ v)\quad u=\varphi(x,\ y)\quad v=\psi(x,\ y),则 zx=zuux+zvvx\dfrac{\partial z}{\partial x}=\dfrac{\partial z}{\partial u}\dfrac{\partial u}{\partial x}+\dfrac{\partial z}{\partial v}\dfrac{\partial v}{\partial x}

若有 z=f(u, v, w)u=φ(x, y)v=ψ(x, y)w=ω(x, y)z=f(u,\ v,\ w)\quad u=\varphi(x,\ y)\quad v=\psi(x,\ y)\quad w=\omega(x,\ y),则 zx=zuux+zvvx+zwwx\dfrac{\partial z}{\partial x}=\dfrac{\partial z}{\partial u}\dfrac{\partial u}{\partial x}+\dfrac{\partial z}{\partial v}\dfrac{\partial v}{\partial x}+\dfrac{\partial z}{\partial w}\dfrac{\partial w}{\partial x}

若有 z=f(u, v)u=φ(x, y)v=ψ(y)z=f(u,\ v)\quad u=\varphi(x,\ y)\quad v=\psi(y),则 zx=zuzx\dfrac{\partial z}{\partial x}=\dfrac{\partial z}{\partial u}\dfrac{\partial z}{\partial x},此外 zy=zuuy+zvdvdy\dfrac{\partial z}{\partial y}=\dfrac{\partial z}{\partial u}\dfrac{\partial u}{\partial y}+\dfrac{\partial z}{\partial v}\dfrac{d v}{d y}

若有 z=f(u, x, y)u=φ(x, y)z=f(u,\ x,\ y)\quad u=\varphi(x,\ y),则 zx=fuux+fx\dfrac{\partial z}{\partial x}=\dfrac{\partial f}{\partial u}\dfrac{\partial u}{\partial x}+\dfrac{\partial f}{\partial x}

# 隐函数求导

单个方程

若有 F(x, y)=0Fy(x, y)0F(x,\ y)=0\quad F'_y(x,\ y)\not=0,且 y=ψ(x)y=\psi(x),则 dydx=FxFy\dfrac{dy}{dx}=-\dfrac{F'_x}{F'_y}

若有 F(x, y, z)=0Fz0F(x,\ y,\ z)=0\quad F'_z\not=0,且 z=φ(x, y)z=\varphi(x,\ y),则 zx=FxFz\dfrac{\partial z}{\partial x}=-\dfrac{F'_x}{F'_z}

方程组

若有方程组 {F(x, y, u, v)=0G(x, y, u, v)=0\begin{cases}F(x,\ y,\ u,\ v)=0\\G(x,\ y,\ u,\ v)=0\end{cases},且 J=(F, G)(u, v)=FuFvGuGv0J=\dfrac{\partial(F,\ G)}{\partial(u,\ v)}=\begin{vmatrix}\dfrac{\partial F}{\partial u}&\dfrac{\partial F}{\partial v}\\\dfrac{\partial G}{\partial u}&\dfrac{\partial G}{\partial v}\end{vmatrix}\not=0

则:ux=1J(F, G)(x, v)=FxFvGxGvFuFvGuGv\dfrac{\partial u}{\partial x}=-\dfrac{1}{J}\dfrac{\partial(F,\ G)}{\partial(x,\ v)}=-\dfrac{\begin{vmatrix}F'_x&F'_v\\G'_x&G'_v\end{vmatrix}}{\begin{vmatrix}F'_u&F'_v\\G'_u&G'_v\end{vmatrix}}

AM5.5 方向导数

设函数 z=f(x, y)z=f(x,\ y) 在点 P0=(x0, y0)P_0=(x_0,\ y_0) 的某邻域内有定义,自点 P0P_0 引射线 ll,自 xx 轴正向到 ll 的转角为 φ\varphi,则 limt0+f(x0+tcosφ, y0+tsinφ)f(x0, y0)t{\lim_{t\rarr 0^+}\\}\dfrac{f(x_0+t\cos\varphi,\ y_0+t\sin\varphi)-f(x_0,\ y_0)}{t} 称为 f(x, y)f(x,\ y) 在点 P0P_0 沿方向 ll方向导数,记为 fl(x0, y0)\dfrac{\partial f}{\partial l}\bigg|_{(x_0,\ y_0)}

f(x, y)f(x,\ y)(x0, y0)(x_0,\ y_0) 处可微,则方向导数存在,且 fl(x0, y0)=fx(x0, y0)cosφ+fy(x0, y0)sinφ\dfrac{\partial f}{\partial l}\bigg|_{(x_0,\ y_0)}=f'_x(x_0,\ y_0)\cos\varphi+f'_y(x_0,\ y_0)\sin\varphi

注意 fl(x0, y0)\dfrac{\partial f}{\partial l}\bigg|_{(x_0,\ y_0)} 存在时,fx(x0, y0)f'_x(x_0,\ y_0) 不一定存在

记向量 (fx(x0, y0), fy(x0, y0))=gradf(x0, y0)=f(x0, y0)(f'_x(x_0,\ y_0),\ f'_y(x_0,\ y_0))=\operatorname{grad}f(x_0,\ y_0)=\nabla f(x_0,\ y_0)f(x, y)f(x,\ y) 在点 P0P_0梯度

fl(x0, y0)=f(x0, y0)(cosφ, sinφ)=f(x0, y0)el=f(x0, y0)elcosθ=f(x0, y0)cosθ\dfrac{\partial f}{\partial l}\bigg|_{(x_0,\ y_0)}=\nabla f(x_0,\ y_0)\bull(\cos\varphi,\ \sin\varphi)=\nabla f(x_0,\ y_0)\bull e_l=\left|\nabla f(x_0,\ y_0)\right|\left| e_l\right|\cos\theta=\left|\nabla f(x_0,\ y_0)\right|\cos\theta

特别地,θ=π2\theta=\dfrac{\pi}{2} 时,fl(x0, y0)=0\dfrac{\partial f}{\partial l}\bigg|_{(x_0,\ y_0)}=0,此时有 \cases{z=c\\z=f(x,\ y)} 称为 等值线

梯度向量的单位向量 f(x0, y0)[fx(x0, y0)]2+[fy(x0, y0)]2\dfrac{\nabla f(x_0,\ y_0)}{\sqrt{[f'_x(x_0,\ y_0)]^2+[f'_y(x_0,\ y_0)]^2}} 称为该点的 单位法向量

梯度方向即等值线在该点的法线方向,梯度的模即沿该法线方向的方向导数。

AM5.6 多元函数的极值

z=f(x, y)z=f(x,\ y)(x0, y0)(x_0,\ y_0) 处取极值,且该点偏导数存在,则有 fx(x0, y0)=0fy(x0, y0)=0f'_x(x_0,\ y_0)=0\quad f'_y(x_0,\ y_0)=0

z=f(x, y)z=f(x,\ y)(x0, y0)(x_0,\ y_0)​ 处偏导数存在,且 fx(x0, y0)=0fy(x0, y0)=0f'_x(x_0,\ y_0)=0\quad f'_y(x_0,\ y_0)=0,则该点称为 驻点

可见,偏导数存在的函数的极值点必然是驻点。但,驻点不一定是函数的极值点。

若驻点 (x0, y0)(x_0,\ y_0) 处有 A=fxx(x0, y0)B=fxy(x0, y0)C=fyy(x0, y0)A=f''_{xx}(x_0,\ y_0)\quad B=f''_{xy}(x_0,\ y_0)\quad C=f''_{yy}(x_0,\ y_0),则:

  • ACB2>0AC-B^2>0,则该驻点是极值点。

    此时若 A>0A>0(必有 C>0C>0)则取极小值,若 A<0A<0(必有 C<0C<0)则取极大值。

  • ACB2<0AC-B^2<0,则该驻点不是极值点。

  • ACB2=0AC-B^2=0,则无法判断。

若空间中每个点 M0M_0 都对应一个数值 f(M0)f(M_0),则称函数 f(M)f(M) 为空间的一个 数量场

由数量场 P(M), Q(M), R(M)P(M),\ Q(M),\ R(M) 构成的向量 F(M)=(P(M), Q(M), R(M))F(M)=(P(M),\ Q(M),\ R(M)) 称为空间的一个 向量场

多元函数的最值点可能是三种情况之一:驻点、偏导不存在的点、端点

方程 z=f(x, y)z=f(x,\ y)φ(x, y)=0\varphi(x,\ y)=0 时取到的极值称为其 条件极值,此时 φ(x, y)=0\varphi(x,\ y)=0 为其 条件

拉格朗日乘数法

对于方程 z=f(x, y)z=f(x,\ y) 和条件函数 φ(x, y)=0\varphi(x,\ y)=0,构造辅助函数 L(x, y)=f(x, y)+λφ(x, y)L(x,\ y)=f(x,\ y)+\lambda\varphi(x,\ y)

求出 \cases{L'_x=0\\L'_y=0} 即解得其条件极值。


<高等数学>AM5 多元函数
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作者
Melody
发布于
2023年10月25日
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