第二节 偏导数与全微分
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I. 偏导数
1.1 偏导数的定义
设函数在点的某一邻域内有定义,当固定在,而在处有增量时,相应的函数有增量:
如果:
存在,则称此极限为函数在点处对的偏导数,记作:
类似地,函数在点处对的偏导数定义为:
记作:
Tip
- 函数在点处的偏导数存在 和均存在
- 意味着函数在点处相对于轴方向的切线的斜率,同理
- 函数在一点处偏导数的求法:
- 定义法:适用于分段函数、抽象函数
- 代入法:若要求,直接将代入得到一元函数,再对其求导
- 偏导函数法:将偏导函数求出来,再将点代入
例1:设函数,求与.
Answer
定义法:
代入法:
例2:设,求、、、.
Answer
定义法:
偏导函数法:
例3:设,试判断在处是否连续、偏导数是否存在?
Answer
例4:设:
试判断在点处是否连续、偏导数是否存在?
Answer
Tip
多元函数中的存在性与连续性之间并无关系
1.2 高阶偏导数
设函数在区域内具有偏导数:
于是在内、都是关于、的函数,如果这两个函数的偏导数也存在,那么便称其为函数的二阶偏导数,记作:
其中和是的两个二阶混合偏导数、和是的两个二阶纯偏导数
Tip
定理:若与在上连续,则
例5:设,求、、、.
Answer
例6:验证函数满足方程.
Answer
II. 全微分
2.1 全微分的定义
设在上有定义,且,若:
则称在点处可微,且线性主部称为在点处的全微分,记作:
2.2 可微的条件
2.2.1 可微的必要条件
若在点处可微,则它必然也在点处连续
Proof
因为在点处可微,所以:
对两边同时取极限可得:
然后进行换元:
所以最终可得:
若在点处可微,则、
Proof
因为在点处可微,所以:
当时可得:
同时除以并取极限可得:
于是同理可得:
Tip
- 若可微,则
- 若与均存在,则未必是函数的全微分
2.2.2 可微的充分条件
若、在点处连续,则在点处可微
2.2.3 可微的充要条件
Tip
使用场景:特殊函数在特殊点处可微性的判定
2.3 多元函数连续、偏导存在、可微之间的关系
例7:设函数:
则在点处函数满足:
- A:不连续
- B:连续但偏导数不存在
- C:连续且偏导数存在但不可微
- D:可微
Answer
连续性的判定:
因为存在以下不等式:
所以:
又因为:
所以最终可得:
偏导数存在性的判定:
因此,两个偏导数皆存在
可微性的判定:
使用可微的充要条件:
显然并不可微
所以最终选C
例8:设函数:
讨论在点处的可微性
Answer
首先求出两个偏导数的值:
然后考虑可微的充要条件:
对于这个极限,考虑以下不等式:
又因为:
所以根据夹逼准则可得:
因此在点处可微
例10:已知二元函数一阶偏导数连续,若函数满足,且、,求.
Answer