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}
平面上所有点的集合为 R2=R×R={(x,y)∣x,y∈R}
距某一点 P0 的距离小于指定半径的点的集合称为其 邻域,记为 U(P0,δ)={P∣∣PP0∣<δ}。
点 P0 的 去心邻域 记为 U∘(P0,δ)={P∣0<∣PP0∣<δ}
对于平面点集 E,平面中任取一点 P0
-
若存在邻域 U(P0)⊆E,则称 P0 为 E 的 内点。
-
若存在邻域 U(P0)∩E=∅ 则称 P0 为 E 的 外点。
-
若 P0 的任意邻域总有 U(P0)∩E=∅ 且 U(P0)⊆E,则称 P0 为 E 的 边界点。
所有边界点的集合称为 E 的 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,若总有 U∘(P0,δ)∩E=∅,则称 P0 为 E 的 聚点。聚点包括内点和边界点。
若平面点集 E 内的所有点都是其内点,则称 E 为 开集。若平面点集 E 包含其所有边界点,则称 E 为 闭集。
若平面点集 E 内的任意两点可用折线连接,且该折线上的点都在 E 内,则称 E 为 连通集。否则称 E 为 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)∣xi∈R, i=1,2,…,n} 称为 n 维空间。其中 xi 称为 分量。
n 维空间中的向量加法为 x+y=(x1+y1,x2+y2,…,xn+yn)
n 维空间中的向量数乘为 λx=(λx1,λx2,…,λxn)
n 维空间中两点的距离为 ∣∣x−y∣∣=ρ(x,y)=(x1−y1)2+(x2−y2)2+…+(xn−yn)2,若 ρ(x,a)→0 则称 x 向 a 逼近,记为 x→a
n 维空间中向量的长度为 ∣∣x∣∣=ρ(x,0)
n 维空间中点的邻域 U(a,δ)={x∣x∈Rn, ρ(x,a)<δ}
# 多元函数的极限
一元极限:若 x→x0 时,f(x)→a,则 limx→x0f(x)=a。x→x0 的逼近方式有 x→x0+ 和 x→x0−
二元极限:若 (x,y)→(x0,y0) 时,f(x,y)→a,则 lim(x,y)→(x0,y0)f(x,y)=a。(x,y)→(x0,y0) 的逼近方式有无数种。
AM5.2 偏导数
对于 z=f(x,y),把 y 固定为 y0,而 x 在 x0 处有增量 Δx→0 时,其增量 Δz=f(x0+Δx, y0)−f(x0, y0) 称为 偏增量。
称 limΔx→0Δxf(x0+Δx, y0)−f(x0, y0) 为函数 z=f(x,y) 对 x 的 偏导数。
函数 z=f(x,y) 对 x 的偏导数有四种表示方法:∂x∂zyx==y0x0∂x∂fyx==y0x0zx′fx′(x0, y0)
∂x∂zyx==y0x0
同样的,把 x 固定为 x0,而 y 在 y0 处有增量 Δy→0 时,称 limΔy→0Δxf(x0, y0+Δy)−f(x0, y0) 为函数 z=f(x,y) 对 y 的偏导数。
若 z=f(x, y) 对 x 的偏导数存在,则 z=f(x, y0) 曲线在 (x0, y0) 处连续。同样的,若 z=f(x, y) 对 y 的偏导数存在,则 z=f(x0, y) 曲线在 (x0, y0) 处连续。但曲面 z=f(x, y) 在 (x0,y0) 处不一定连续。
AM5.3 全微分
对于 z=f(x,y),x 在 x0 处有增量 Δx→0,且 y 在 y0 处有增量 Δy→0 时,其增量 Δz=f(x0+Δx, y0+Δy)−f(x0, y0) 称为 全增量。
若 z=f(x,y) 在点 (x, y) 的邻域内有定义,产生增量 Δx, Δy。若 Δz=AΔx+BΔy+o(ρ),其中 A, B 是 x, y 的函数且与 Δx, Δy 无关,而 ρ=(Δx)2+(Δy)2,则 dz=AΔx+BΔy 记为 z 的 全微分。
可见,dz 是函数改变的近似值。
-
可微的必要条件
若 z=f(x, y) 在点 (x, y) 处可微,则偏导数 fx′(x, y) 与 fy′(x, y) 存在,且
dz=fx′(x, y)Δx+fy′(x, y)Δy
证明过程
偏导数存在是可微的必要条件。
-
可微的充分条件
若 z=f(x, y) 在点 (x, y) 的某邻域内有连续的偏导数 fx′(x, y) 和 fy′(x, y),则其在该处可微
记 dx=Δx 和 dy=Δy,此时 dxz=fx′(x, y)dx 称为关于 x 的偏微分,dyz=fx′(x, y)dy 为关于 y 的偏微分。dz=dxz+dyz
AM5.4 多元复合函数求导
若有 z=f(u, v)u=φ(t)v=ψ(t),则 dtdz=∂u∂zdtdu+∂v∂zdtdz
若有 z=f(u, v)u=φ(x, y)v=ψ(x, y),则 ∂x∂z=∂u∂z∂x∂u+∂v∂z∂x∂v
若有 z=f(u, v, w)u=φ(x, y)v=ψ(x, y)w=ω(x, y),则 ∂x∂z=∂u∂z∂x∂u+∂v∂z∂x∂v+∂w∂z∂x∂w
若有 z=f(u, v)u=φ(x, y)v=ψ(y),则 ∂x∂z=∂u∂z∂x∂z,此外 ∂y∂z=∂u∂z∂y∂u+∂v∂zdydv
若有 z=f(u, x, y)u=φ(x, y),则 ∂x∂z=∂u∂f∂x∂u+∂x∂f
# 隐函数求导
单个方程
若有 F(x, y)=0Fy′(x, y)=0,且 y=ψ(x),则 dxdy=−Fy′Fx′
若有 F(x, y, z)=0Fz′=0,且 z=φ(x, y),则 ∂x∂z=−Fz′Fx′
方程组
若有方程组 {F(x, y, u, v)=0G(x, y, u, v)=0,且 J=∂(u, v)∂(F, G)=∂u∂F∂u∂G∂v∂F∂v∂G=0
则:∂x∂u=−J1∂(x, v)∂(F, G)=−Fu′Gu′Fv′Gv′Fx′Gx′Fv′Gv′
AM5.5 方向导数
设函数 z=f(x, y) 在点 P0=(x0, y0) 的某邻域内有定义,自点 P0 引射线 l,自 x 轴正向到 l 的转角为 φ,则 limt→0+tf(x0+tcosφ, y0+tsinφ)−f(x0, y0) 称为 f(x, y) 在点 P0 沿方向 l 的 方向导数,记为 ∂l∂f(x0, y0)。
若 f(x, y) 在 (x0, y0) 处可微,则方向导数存在,且 ∂l∂f(x0, y0)=fx′(x0, y0)cosφ+fy′(x0, y0)sinφ。
注意 ∂l∂f(x0, y0) 存在时,fx′(x0, y0) 不一定存在
记向量 (fx′(x0, y0), fy′(x0, y0))=gradf(x0, y0)=∇f(x0, y0) 为 f(x, y) 在点 P0 的 梯度
有 ∂l∂f(x0, y0)=∇f(x0, y0)∙(cosφ, sinφ)=∇f(x0, y0)∙el=∣∇f(x0, y0)∣∣el∣cosθ=∣∇f(x0, y0)∣cosθ
特别地,θ=2π 时,∂l∂f(x0, y0)=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 [fx′(x0, y0)]2+[fy′(x0, y0)]2∇f(x0, y0) 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
若 z=f(x, y) 在 (x0, y0) 处取极值,且该点偏导数存在,则有 fx′(x0, y0)=0fy′(x0, y0)=0
若 z=f(x, y) 在 (x0, y0) 处偏导数存在,且 fx′(x0, y0)=0fy′(x0, y0)=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) 处有 A=fxx′′(x0, y0)B=fxy′′(x0, y0)C=fyy′′(x0, y0),则:
-
若 AC−B2>0,则该驻点是极值点。
此时若 A>0(必有 C>0)则取极小值,若 A<0(必有 C<0)则取极大值。
-
若 AC−B2<0,则该驻点不是极值点。
-
若 AC−B2=0,则无法判断。
若空间中每个点 M0 都对应一个数值 f(M0),则称函数 f(M) 为空间的一个 数量场
由数量场 P(M), Q(M), R(M) 构成的向量 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) 在 φ(x, y)=0 时取到的极值称为其 条件极值,此时 φ(x, y)=0 为其 条件。
拉格朗日乘数法
对于方程 z=f(x, y) 和条件函数 φ(x, y)=0,构造辅助函数 L(x, y)=f(x, y)+λφ(x, y)
求出 \cases{L'_x=0\\L'_y=0} 即解得其条件极值。