§8.9★多元函数微分学应用案例
多元函数积分应用案例
多元函数积分应用案例在数学中，多元函数积分是一个重要的概念与工具，广泛应用于各个领域，包括物理学、计算机科学、经济学等。
本文将通过几个案例来展示多元函数积分的实际应用。
案例一：质量分布计算假设我们有一个平面上的薄片，该薄片的密度分布函数为 f(x, y) = 2xy，其中 (x, y) 表示平面上的一个点的坐标。
我们希望计算整个薄片的质量。
我们可以将薄片划分为无数个微小的面积元素，并利用多元函数积分来求解。
设 A 表示整个薄片的区域，则质量 M 可以表示为：M = ∬A f(x, y) dA根据以上的密度分布函数和积分形式，我们可以计算出整个薄片的质量。
案例二：物体的质心计算在物理学中，质心是一个十分重要的概念。
假设我们有一个平面上的物体，其密度分布函数为 f(x, y) = x + y，我们希望计算该物体的质心坐标。
质心坐标 (X, Y) 可以通过以下的积分计算得到：X = (1/M)∬A x * f(x, y) dAY = (1/M)∬A y * f(x, y) dA其中 M 是整个物体的质量，A 是物体的区域。
通过对密度分布函数的积分，我们可以轻松地求解出物体的质心坐标。
案例三：曲面面积计算在几何学中，对于给定的曲面，我们可以通过积分来计算其面积。
假设我们有一个曲面，其方程为 z = x^2 + y^2。
我们希望计算该曲面在给定区域上的面积。
面积 S 可以表示为以下的积分形式：S = ∬A √(1 + (∂z/∂x)^2 + (∂z/∂y)^2) dA利用多元函数积分，我们可以对曲面上的每个微小面积元素进行积分，并得到整个曲面的面积。
通过以上三个案例，我们可以看到多元函数积分在实际问题中的广泛应用。
无论是计算质量分布、物体的质心，还是计算曲面的面积，多元函数积分都提供了一种非常有效的数学工具。
它在科学研究和工程领域中具有重要的应用，为我们解决各种实际问题提供了便利和精确性。
总结：多元函数积分是一种强大的数学工具，在物理学、计算机科学、经济学等领域都有广泛的应用。
§8.9★多元函数微分学应用案例
L (a m1k )(a m2k )(a m3k ) (m1 m2 m3 m)
分别对 m1 , m2 , m3 及
求偏导数， 令它们为零，得方程组
L m k (a m 2 k )(a m 3 k ) 0 1 L m k (a m1 k )(a m 3 k ) 0 2 L k (a m k )(a m k ) 0 1 2 m 3 L m m m m 0 1 2 3
构造拉格朗日函数321321mmmmkmakmakmal??????????????????分别对321mmm及及??求偏导数令它们为零得方程组??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????0000321213312321mmmmlkmakmakmlkmakmakmlkmakmakml????????解得3321mmmm??????
P1 x P2 y ,
400000 1950x 2250y,
(400000 1950x 2250y ) ，
从而利润为 L (3390 0.1 x 0.03 y ) x (3990 0.04x 0.1 y ) y
即
L 0.1 x 2 0.1 y 2 0.07xy 1440x 1740y 400000 , ( x 0, y 0) ．
27英寸显示器的计算机和7043台31英寸显示器的计算机，才
能使利润最大．
二、如何才能使醋酸回收的效果最好 在A、B两种物质的溶液中，我们想提取出物质A，可以采用 这样的方法：在A、B的溶液中加入第三种物质C，而C与B不互溶 利用A在C中的溶解度较大的特点，将A提取出来．这种方法就是 化工中的萃取过程． 现在有稀水溶液的醋酸，利用苯作为溶剂，设苯的总体积为m. 进行3次萃取来回收醋酸．问每次应取多少苯量，方使从水溶
多元函数微分法及其应用-隐函数的微分法
P
则方程组 F ( x , y , u, v ) = 0 , G ( x , y , u, v ) = 0
在点 ( x0 , y0 , u0 , v0 ) 的某一邻域内能唯一确定
一对满足条件 u0 = u( x0 , y0 ) , v0 = v ( x0 , y0 ),
F1′ F2′ F1′ F2′ z( + ) xy ( + ) x x y y = F1′ F2′ + y x
= z xy .
例3 设 xu yv = 0， yu + xv = 1， u u v v 求 ， ， 和 . x y x y 解（方法1）直接套公式 （方法2）复合函数求导法 将所给方程的两边对 x 求偏导数，并移项
Fy z = y Fz
注意公式 里的负号
Fx z 注 在公式 = 中， Fz x
Fx : 将 F ( x , y , z )中的 y , z暂视为常数，
对x 求偏导数；
Fz : 将 F ( x , y , z )中的 x , y暂视为常数，
对z求偏导数；
(二) 由方程组确定的隐函数微分法 以两个方程确定两个隐函数的情况为例 , 即 u = u( x , y ) F ( x , y , u, v ) = 0 v = v( x , y ) G ( x , y , u, v ) = 0 由 函数F、G 的偏导数组成的行列式
( z x2 ′ F2 F1′ )
(
z
dz =
′ F1′ F2 + y x
z x
dx +
y2 ′ F1′ F2 + y x
z y
′ F1′ F2 )
多元函数微分法及其应用
第九章 多元函数微分法及其应用§8 1 多元函数的基本概念一、平面点集n 维空间1．平面点集二元的序实数组x y 的全体 即R 2RR {x y |x y R }就表示坐标平面坐标平面上具有某种性质P 的点的集合 称为平面点集 记作E {x y | x y 具有性质P } 例如 平面上以原点为中心、r 为半径的圆内所有点的集合是C {x y | x 2y 2r 2} 如果我们以点P 表示x y 以|OP |表示点P 到原点O 的距离 那么集合C 可表成C {P | |OP |r }邻域设P 0x 0 y 0是xOy 平面上的一个点 是某一正数 与点P 0x 0 y 0距离小于的点P x y 的全体 称为点P 0的邻域 记为U P 0 即}|| |{),(00δδ<=PP P P U 或} )()( |) ,{(),(20200δδ<-+-=y y x x y x P U 邻域的几何意义 U P 0 表示xOy 平面上以点P 0x 0 y 0为中心、 >0为半径的圆的内部的点P x y 的全体 点P 0的去心邻域 记作) ,(0δP U即}||0 |{) ,(00δδ<<=P P P P U注 如果不需要强调邻域的半径 则用U P 0表示点P 0的某个邻域 点P 0的去心邻域记作)(0P U点与点集之间的关系任意一点P R 2与任意一个点集E R 2之间必有以下三种关系中的一种1内点 如果存在点P 的某一邻域UP 使得UPE 则称P 为E 的内点2外点 如果存在点P 的某个邻域UP 使得UPE 则称P 为E 的外点3边界点 如果点P 的任一邻域内既有属于E 的点 也有不属于E 的点 则称P 点为E 的边点E 的边界点的全体 称为E 的边界 记作EE 的内点必属于E E 的外点必定不属于E 而E 的边界点可能属于E 也可能不属于E 聚点如果对于任意给定的0 点P 的去心邻域),( P U内总有E 中的点 则称P 是E 的聚点由聚点的定义可知 点集E 的聚点P 本身 可以属于E 也可能不属于E例如 设平面点集E {x y |1x 2y 22}满足1x 2y 22的一切点x y 都是E 的内点 满足x 2y 21的一切点x y 都是E 的边界点 它们都不属于E 满足x 2y 22的一切点x y 也是E 的边界点 它们都属于E 点集E 以及它的界边E 上的一切点都是E 的聚点开集 如果点集E 的点都是内点 则称E 为开集闭集 如果点集的余集E c为开集 则称E 为闭集开集的例子 E {x y |1<x 2y 2<2}闭集的例子 E {x y |1x 2y 22}集合{x y |1x 2y 22}既非开集 也非闭集连通性 如果点集E 内任何两点 都可用折线连结起来 且该折线上的点都属于E 则称E 为连通集区域或开区域 连通的开集称为区域或开区域 例如E {x y |1x 2y 22}闭区域 开区域连同它的边界一起所构成的点集称为闭区域 例如E {x y |1x 2y 22}有界集 对于平面点集E 如果存在某一正数r 使得 EUO r其中O 是坐标原点 则称E 为有界点集无界集 一个集合如果不是有界集 就称这集合为无界集例如 集合{x y |1x 2y 22}是有界闭区域 集合{x y | xy 1}是无界开区域集合{x y | xy 1}是无界闭区域 2 n 维空间设n 为取定的一个自然数 我们用R n表示n 元有序数组x 1 x 2 x n 的全体所构成的集合 即R nRRR {x 1 x 2 x n | x i R i 1 2 n } R n中的元素x 1 x 2 x n 有时也用单个字母x 来表示 即x x 1 x 2 x n 当所有的x i i 1 2 n 都为零时 称这样的元素为R n 中的零元 记为0或O 在解析几何中 通过直角坐标 R 2或R 3中的元素分别与平面或空间中的点或向量建立一一对应 因而R n中的元素x x 1 x 2 x n 也称为R n 中的一个点或一个n 维向量 x i称为点x 的第i 个坐标或n 维向量x 的第i 个分量 特别地 Rn中的零元0称为R n中的坐标原点或n 维零向量为了在集合R n 中的元素之间建立联系 在R n中定义线性运算如下 设x x 1 x 2 x n y y 1 y 2 y n 为R n 中任意两个元素 R 规定xy x 1 y 1 x 2 y 2 x n y n x x 1 x 2 x n这样定义了线性运算的集合R n称为n 维空间R n中点x x 1 x 2 x n 和点 y y 1 y 2 y n 间的距离 记作x y 规定2222211)( )()(),(n n y x y x y x -+⋅⋅⋅+-+-=y x ρ显然 n 1 2 3时 上术规定与数轴上、直角坐标系下平面及空间中两点间的距离一至R n中元素x x 1 x 2 x n 与零元0之间的距离x 0记作||x ||在R 1、R 2、R 3中 通常将||x ||记作|x | 即22221 ||||n x x x ⋅⋅⋅++=x采用这一记号 结合向量的线性运算 便得),()( )()(||||2222211y x y x ρ=-+⋅⋅⋅+-+-=-n n y x y x y x 在n 维空间R n 中定义了距离以后 就可以定义R n中变元的极限设x x 1 x 2 x n a a 1 a 2 a n R n如果||xa ||0则称变元x 在R n中趋于固定元a 记作xa 显然xa x 1a 1 x 2a 2 x n a n在R n中线性运算和距离的引入 使得前面讨论过的有关平面点集的一系列概念 可以方便地引入到nn 3维空间中来 例如设a a 1 a 2 a n R n是某一正数 则n 维空间内的点集U a {x | x R nx a }就定义为R n中点a 的邻域 以邻域为基础 可以定义点集的内点、外点、边界点和聚点 以及开集、闭集、区域等一系列概念二 多元函数概念例１ 圆柱体的体积V 和它的底半径r 、高h 之间具有关系V r 2h这里 当r 、h 在集合{r h | r >0 h >0}内取定一对值r h 时 V 对应的值就随之确定例2 一定量的理想气体的压强p 、体积V 和绝对温度T 之间具有关系V RTp =其中R 为常数 这里 当V 、T 在集合{V T | V >0 T >0}内取定一对值V T 时 p 的对应值就随之确定 例3 设R 是电阻R 1、R 2并联后的总电阻 由电学知道 它们之间具有关系2121R R R R R +=这里 当R 1、R 2在集合{ R 1 R 2 | R 1>0 R 2>0}内取定一对值 R 1 R 2时 R 的对应值就随之确定定义1 设D 是R 2的一个非空子集 称映射f D R 为定义在D上的二元函数通常记为zfx y x yD或zfP PD其中点集D称为该函数的定义域x y称为自变量z称为因变量上述定义中与自变量x、y的一对值x y相对应的因变量z的值也称为f在点x y处的函数值记作fx y即zfx y 值域fD{z| zfx y x yD}函数的其它符号zzx y zgx y等类似地可定义三元函数ufx y z x y zD以及三元以上的函数一般地把定义1中的平面点集D换成n维空间R n内的点集D映射f D R就称为定义在D上的n元函数通常记为ufx1x2x n x1x2x n D或简记为uf x x x1x2x n D也可记为ufP Px1x2x n D函数定义域的约定在一般地讨论用算式表达的多元函数uf x时就以使这个算式有意义的变元x的值所组成的点集为这个多元函数的自然定义域因而对这类函数它的定义域不再特别标出例如函数z ln xy的定义域为{x y|xy>0}无界开区域函数z arcsin x2y2的定义域为{x y|x2y21}有界闭区域二元函数的图形点集{x y z|zfx y x yD}称为二元函数zfx y的图形二元函数的图形是一张曲面例如zaxbyc是一张平面而函数z=x2+y2的图形是旋转抛物面三多元函数的极限与一元函数的极限概念类似如果在Px yP0x0y0的过程中对应的函数值fx y无限接近于一个确定的常数A则称A 是函数fx y当x yx0y0时的极限定义2设二元函数fPfx y 的定义域为D P 0x 0 y 0是D 的聚点 如果存在常数A 对于任意给定的正数总存在正数 使得当),(),(0δP U D y x P⋂∈时 都有|fPA ||fx yA |成立 则称常数A 为函数fx y 当x yx 0 y 0时的极限 记为 Ay x f y x y x =→),(lim ),(),(0或fx yA x yx 0 y 0也记作AP f P P =→)(lim 0或fPAPP 0上述定义的极限也称为二重极限例4. 设22221sin)(),(y x y x y x f ++= 求证0),(lim )0,0(),(=→y x f y x证 因为2222222222 |1sin ||| |01sin)(||0),(|y x y x y x y x y x y x f +≤+⋅+=-++=-可见 >0 取εδ=则当δ<-+-<22)0()0(0y x即),(),(δO U D y x P⋂∈时 总有|fx y 0|因此0),(lim )0,0(),(=→y x f y x 必须注意1二重极限存在 是指P 以任何方式趋于P 0时 函数都无限接近于A2如果当P 以两种不同方式趋于P 0时 函数趋于不同的值 则函数的极限不存在 讨论函数⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++=0 00 ),(222222y x y x y x xy y x f 在点0 0有无极限 提示 当点Px y 沿x 轴趋于点0 0时0lim )0 ,(lim ),(lim00)0,0(),(===→→→x x y x x f y x f 当点Px y 沿y 轴趋于点0 0时0lim ) ,0(lim ),(lim 0)0,0(),(===→→→y y y x y f y x f当点P x y 沿直线ykx 有22222022 )0,0(),(1lim lim kk x k x kx y x xy x kx y y x +=+=+→=→ 因此 函数fx y 在0 0处无极限极限概念的推广 多元函数的极限多元函数的极限运算法则 与一元函数的情况类似 例5 求x xy y x )sin(lim)2,0(),(→解 y xy xy xxy y x y x ⋅=→→)sin(lim )sin(lim)2,0(),()2,0(),(y xy xy y x y x )2,0(),()2,0(),(lim )sin(lim→→⋅=122 四 多元函数的连续性定义3 设二元函数fPf x y 的定义域为D P 0x 0 y 0为D的聚点 且P 0D 如果),(),(lim00),(),(00y x f y x f y x y x =→ 则称函数f x y 在点P 0x 0 y 0连续如果函数f x y 在D 的每一点都连续 那么就称函数f x y 在D 上连续 或者称f x y 是D 上的连续函数二元函数的连续性概念可相应地推广到n 元函数fP 上去例6设fx ,y sin x 证明fx y 是R 2上的连续函数证 设P 0x 0 y 0 R 20 由于sin x 在x 0处连续 故0 当|xx 0|时 有|sin x sin x 0|以上述作P 0的邻域UP 0 则当Px yUP 0 时 显然 |fx yfx 0 y 0||sin x sin x 0|即fx y sin x 在点P 0x 0 y 0 连续 由P 0的任意性知 sin x 作为x y 的二元函数在R 2上连续证 对于任意的P 0x 0 y 0R 2因为),(sin sin lim),(lim 000),(),(),(),(0000y x f x x y x f y x y x y x y x ===→→ 所以函数fx ,y sin x 在点P 0x 0 y 0连续 由P 0的任意性知 sin x作为x y 的二元函数在R 2上连续类似的讨论可知 一元基本初等函数看成二元函数或二元以上的多元函数时 它们在各自的定义域内都是连续的 定义4设函数fx y 的定义域为D P 0x 0 y 0是D 的聚点 如果函数fx y 在点P 0x 0 y 0不连续 则称P 0x 0 y 0为函数fx y 的间断点 例如 函数⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++=0 00 ),(222222y x y x y x xy y x f其定义域D R 2O 0 0是D 的聚点 fx y 当x y 0 0时的极限不存在 所以点O 0 0是该函数的一个间断点又如 函数11sin22-+=y x z 其定义域为D {x y |x 2y 21} 圆周C {x y |x 2y 21}上的点都是D 的聚点 而fx y 在C 上没有定义 当然fx y 在C 上各点都不连续 所以圆周C 上各点都是该函数的间断点注 间断点可能是孤立点也可能是曲线上的点可以证明 多元连续函数的和、差、积仍为连续函数 连续函数的商在分母不为零处仍连续 多元连续函数的复合函数也是连续函数多元初等函数 与一元初等函数类似 多元初等函数是指可用一个式子所表示的多元函数 这个式子是由常数及具有不同自变量的一元基本初等函数经过有限次的四则运算和复合运算而得到的例如2221y y x x +-+ sin xy 222z y xe ++都是多元初等函数一切多元初等函数在其定义区域内是连续的 所谓定义区域是指包含在定义域内的区域或闭区域由多元连续函数的连续性 如果要求多元连续函数fP 在点P 0处的极限 而该点又在此函数的定义区域内 则 )()(lim 00P f P f p p =→例7 求xy y x y x +→)2,1(),(lim解 函数xy yx y x f +=),(是初等函数 它的定义域为D {x y |x 0 y 0}P 01 2为D 的内点 故存在P 0的某一邻域UP 0D 而任何邻域都是区域 所以UP 0是fx y 的一个定义区域 因此23)2,1(),(lim)2,1(),(==→f y x f y x 一般地 求)(lim 0P f P P →时 如果fP 是初等函数 且P 0是fP 的定义域的内点 则fP 在点P 0处连续 于是)()(lim 00P f P f P P =→例8 求xy xy y x 11lim)0 ,0(),(-+→解)11()11)(11(lim11lim)0 ,0(),()0 ,0(),(++++-+=-+→→xy xy xy xy xy xy y x y x 21111lim )0 ,0(),(=++=→xy y x多元连续函数的性质性质1 有界性与最大值最小值定理在有界闭区域D 上的多元连续函数 必定在D 上有界 且能取得它的最大值和最小值性质1就是说 若fP 在有界闭区域D 上连续 则必定存在常数M 0 使得对一切PD 有|fP |M 且存在P 1、P 2D 使得 fP 1max{fP |PD } fP 2min{fP |PD }性质2 介值定理 在有界闭区域D 上的多元连续函数必取得介于最大值和最小值之间的任何值§8 2 偏导数一、偏导数的定义及其计算法对于二元函数zfx y 如果只有自变量x 变化 而自变量y 固定 这时它就是x 的一元函数 这函数对x 的导数 就称为二元函数zfx y 对于x 的偏导数定义 设函数zfx y 在点x 0 y 0的某一邻域内有定义 当y 固定在y 0而x 在x 0处有增量x 时 相应地函数有增量fx 0x y 0fx 0 y 0如果极限x y x f y x x f x ∆-∆+→∆),(),(lim00000存在 则称此极限为函数zfx y 在点x 0 y 0处对x 的偏导数 记作0y y x x x z==∂∂ 00y y x x x f ==∂∂0y y x x xz == 或),(00y x f x例如x y x f y x x f y x f x x ∆-∆+=→∆),(),(lim),(0000000类似地 函数zfx y 在点x 0 y 0处对y 的偏导数定义为y y x f y y x f y ∆-∆+→∆),(),(lim00000记作y y x x y z==∂∂y y x x y f==∂∂y y x x yz == 或f y x 0 y 0偏导函数 如果函数zfx y 在区域D 内每一点x y 处对x 的偏导数都存在 那么这个偏导数就是x 、y 的函数 它就称为函数zfx y 对自变量x 的偏导函数 记作x z ∂∂ xf ∂∂ x z 或),(y x f x偏导函数的定义式x y x f y x x f y x f x x ∆-∆+=→∆),(),(lim),(0类似地 可定义函数zfx y 对y 的偏导函数 记为y z ∂∂ yf∂∂ z y 或),(y x f y偏导函数的定义式y y x f y y x f y x f y y ∆-∆+=→∆),(),(lim),(0求xf∂∂时 只要把y 暂时看作常量而对x求导数 求yf∂∂时只要把x 暂时看作常量而对y 求导数讨论 下列求偏导数的方法是否正确),(),(00y y x x x x y x f y x f ===),(),(00y y x x y y y x f y x f ===0]),([),(000x x x y x f dx d y x f == 0]),([),(000y y y y x f dy dy x f ==偏导数的概念还可推广到二元以上的函数例如三元函数ufx y z 在点x y z 处对x 的偏导数定义为x z y x f z y x x f z y x f x x ∆-∆+=→∆),,(),,(lim),,(0其中x y z 是函数ufx y z 的定义域的内点 它们的求法也仍旧是一元函数的微分法问题例1 求zx 23xyy 2在点1 2处的偏导数解 y x x z 32+=∂∂ yx y z 23+=∂∂ 8231221=⋅+⋅=∂∂==y x xz7221321=⋅+⋅=∂∂==y x yz例2 求zx 2sin 2y 的偏导数解 y x x z 2sin 2=∂∂ yx y z 2cos 22=∂∂例3 设)1,0(≠>=x x xz y求证zy z x x z y x 2ln 1=∂∂+∂∂证 1-=∂∂y yx x z xx y z y ln =∂∂zx x x x x yx y x y z x x z y x y y y y 2ln ln 1ln 11=+=+=∂∂+∂∂-例4 求222z y x r ++=的偏导数解 r x z y x x x r =++=∂∂222 r y z y x y y r =++=∂∂222例5 已知理想气体的状态方程为pV =RTR 为常数求证 1-=∂∂⋅∂∂⋅∂∂p T T V V p证 因为V RTp = 2V RT V p-=∂∂p RT V = p RT V =∂∂RpV T =R Vp T =∂∂所以12-=-=⋅⋅-=∂∂⋅∂∂⋅∂∂pV RT R V p R V RT p T T V V p例 5 说明的问题 偏导数的记号是一个整体记号 不能看作分子分母之商二元函数zfx y 在点x 0 y 0的偏导数的几何意义f x x 0 y 0fx y 0x 是截线zfx y 0在点M 0处切线T x 对x 轴的斜率f y x 0 y 0 fx 0 y y 是截线zfx 0 y 在点M 0处切线T y 对y 轴的斜率偏导数与连续性 对于多元函数来说 即使各偏导数在某点都存在 也不能保证函数在该点连续 例如⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++=0 00),(222222y x y x y x xy y x f在点0 0有 f x 0 00 f y 0 00 但函数在点0 0并不连续提示0)0 ,(=x f 0) ,0(=y f0)]0 ,([)0 ,0(==x f dx d f x 0)] ,0([)0 ,0(==y f dy df y当点Px y 沿x 轴趋于点0 0时 有0lim )0 ,(lim ),(lim00)0,0(),(===→→→x x y x x f y x f当点Px y 沿直线ykx 趋于点0 0时 有22222022 )0,0(),(1lim lim kk x k x kx y x xy x kx y y x +=+=+→=→因此),(lim )0,0(),(y x f y x →不存在 故函数fx y 在0 0处不连续类似地 可定义函数zfx y 对y 的偏导函数 记为y z ∂∂ yf∂∂ z y 或),(y x f y偏导函数的定义式y y x f y y x f y x f y y ∆-∆+=→∆),(),(lim),(0二 高阶偏导数设函数zfx y 在区域D 内具有偏导数),(y x f x z x =∂∂ ),(y x f y z y=∂∂那么在D 内f x x y 、f y x y 都是x y 的函数 如果这两个函数的偏导数也存在 则称它们是函数zfx y 的二偏导数 按照对变量求导次序的为同有下列四个二阶偏导数如果函数zfx y 在区域D 内的偏导数f x x y 、f y x y 也具有偏导数则它们的偏导数称为函数zfx y 的二阶偏导数 按照对变量求导次序的不同有下列四个二阶偏导数),()(22y x f x z x z x xx =∂∂=∂∂∂∂ ),()(2y x f y x z x z y xy=∂∂∂=∂∂∂∂),()(2y x f x y z y z x yx =∂∂∂=∂∂∂∂ ),()(22y x f y z y z y yy =∂∂=∂∂∂∂其中),()(2y x f y x z x z y xy =∂∂∂=∂∂∂∂ ),()(2y x f x y z y z x yx=∂∂∂=∂∂∂∂称为混合偏导数22)(x z x z x ∂∂=∂∂∂∂ yx z x z y ∂∂∂=∂∂∂∂2)( x y z y z x ∂∂∂=∂∂∂∂2)( 22)(y zy z y ∂∂=∂∂∂∂同样可得三阶、四阶、以及n 阶偏导数二阶及二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数例6 设zx 3y 23xy 3xy 1 求22x z ∂∂、33x z∂∂、x y z ∂∂∂2和y x z∂∂∂2解 y y y x x z --=∂∂32233 xxy y x y z --=∂∂23922226xy x z =∂∂ 2336y x z =∂∂196222--=∂∂∂y y x y x z 196222--=∂∂∂y y x x y z由例6观察到的问题 y x zx y z ∂∂∂=∂∂∂22定理 如果函数zfx y 的两个二阶混合偏导数x y z ∂∂∂2及yx z∂∂∂2在区域D 内连续 那么在该区域内这两个二阶混合偏导数必相等类似地可定义二元以上函数的高阶偏导数例7 验证函数22ln y x z +=满足方程02222=∂∂+∂∂y z x z证 因为)ln(21ln 2222y x y x z +=+= 所以22y x xx z +=∂∂22y x y y z +=∂∂222222222222)()(2)(y x x y y x x x y x xz +-=+⋅-+=∂∂222222222222)()(2)(y x y x y x y y y x yz +-=+⋅-+=∂∂因此 0)()(22222222222222=+-++-=∂∂+∂∂y x x y y x y x y z x z例8．证明函数r u 1=满足方程0222222=∂∂+∂∂+∂∂z u y u x u其中222z y x r ++=证 32211r xr x r x r r x u -=⋅-=∂∂⋅-=∂∂52343223131r x r x r r x r x u +-=∂∂⋅+-=∂∂同理5232231r y r y u +-=∂∂ 5232231r z r z u +-=∂∂因此)31()31()31(523523523222222r z r r y r r x r zu y u x u +-++-++-=∂∂+∂∂+∂∂33)(3352352223=+-=+++-=r r r r z y x r提示 6236333223)()(r x rr x r r r x x r rx x x u ∂∂⋅--=∂∂⋅--=-∂∂=∂∂§8 3全微分及其应用 一、全微分的定义根据一元函数微分学中增量与微分的关系有 偏增量与偏微分fxx yfx yf x x yxfxx yfx y 为函数对x 的偏增量 f x x yx 为函数对x 的偏微分fx yyfx yf y x yyfx yyfx y 为函数对y 的偏增量 f y x yy 为函数对y 的偏微分全增量 z fxx yyfx y计算全增量比较复杂 我们希望用x 、y 的线性函数来近似代替之定义 如果函数zfx y 在点x y 的全增量 z fxx yyfx y 可表示为) )()(( )(22y x o y B x A z ∆+∆=+∆+∆=∆ρρ 其中A 、B 不依赖于x 、y 而仅与x 、y 有关 则称函数zfx y 在点x y 可微分 而称AxBy 为函数zfx y 在点x y 的全微分 记作dz 即dzAxBy如果函数在区域D 内各点处都可微分 那么称这函数在D 内可微分可微与连续 可微必连续 但偏导数存在不一定连续 这是因为 如果zfx y 在点x y 可微则 z fxx yyfx yAxByo 于是 0lim 0=∆→z ρ从而),(]),([lim ),(lim)0,0(),(y x f z y x f y y x x f y x =∆+=∆+∆+→→∆∆ρ因此函数zfx y 在点x y 处连续 可微条件定理1必要条件如果函数zfx y 在点x y 可微分 则函数在该点的偏导数x z∂∂、y z ∂∂必定存在 且函数zfx y 在点x y 的全微分为yy z x xz dz ∆∂∂+∆∂∂= 证 设函数zfx y 在点Px y 可微分 于是 对于点P 的某个邻域内的任意一点P xx yy 有zAxByo 特别当y 0时有f xx yfx yAxo |x |上式两边各除以x 再令x 0而取极限 就得Ax y x f y x x f x =∆-∆+→∆),(),(lim从而偏导数x z ∂∂存在 且Ax z =∂∂同理可证偏导数y z ∂∂存在 且B y z =∂∂所以yy z x xz dz ∆∂∂+∆∂∂= 简要证明设函数zfx y 在点x y 可微分 于是有zAxByo 特别当y 0时有f xx yfx yAxo |x |上式两边各除以x 再令x 0而取极限 就得Ax x o A x y x f y x x f x x =∆∆+=∆-∆+→∆→∆]|)(|[lim ),(),(lim00从而x z ∂∂存在 且A x z =∂∂同理y z ∂∂存在 且B y z =∂∂ 所以yy z x xz dz ∆∂∂+∆∂∂= 偏导数x z∂∂、y z ∂∂存在是可微分的必要条件 但不是充分条件例如函数⎪⎩⎪⎨⎧=+≠++=0 00 ),(222222y x y x y x xy y x f 在点00处虽然有f x 0 00及f y 0 00但函数在00不可微分即zf x 0 0xf y 0 0y 不是较高阶的无穷小这是因为当x y 沿直线yx 趋于0 0时ρ])0 ,0()0 ,0([y f x f z y x ∆⋅+∆⋅-∆021)()()()(2222≠=∆+∆∆⋅∆=∆+∆∆⋅∆=x x x x y x y x定理2充分条件 如果函数zfx y 的偏导数x z∂∂、y z ∂∂在点x y 连续 则函数在该点可微分定理1和定理2的结论可推广到三元及三元以上函数 按着习惯x 、y 分别记作dx 、dy 并分别称为自变量的微分则函数zfx y 的全微分可写作dyy z dx x z dz ∂∂+∂∂=二元函数的全微分等于它的两个偏微分之和这件事称为二元函数的微分符合叠加原理 叠加原理也适用于二元以上的函数 例如函数uf x y z 的全微分为dzz u dy y u dx x u du ∂∂+∂∂+∂∂= 例1 计算函数zx 2y y 2的全微分解 因为xy x z 2=∂∂ yx y z 22+=∂∂所以dz 2xydxx 22ydy例2 计算函数ze xy在点2 1处的全微分解 因为xy ye x z =∂∂ xyxe y z =∂∂ 212e x z y x =∂∂== 2122ey z y x =∂∂==所以 dze 2dx 2e 2dy 例3 计算函数yze yx u ++=2sin 的全微分解 因为1=∂∂x u yz ze y y u +=∂∂2cos 21 yzye z u =∂∂ 所以 dzye dy ze ydx du yz yz +++=)2cos 21(二、全微分在近似计算中的应用当二元函数zf x y 在点P x y 的两个偏导数f x x y fyx y 连续 并且|x | |y |都较小时 有近似等式z dz f x x yxf y x yy即 f xx yy fx yf x x yxf y x yy我们可以利用上述近似等式对二元函数作近似计算 例4 有一圆柱体 受压后发生形变 它的半径由20cm 增大到20 05cm 高度由100cu 减少到99cm 求此圆柱体体积变化的近似值解 设圆柱体的半径、高和体积依次为r 、h 和V 则有V r 2h已知r 20 h 100 r 0 05 h 1 根据近似公式 有VdVV r rV h h 2rhrr 2h2201000 052021200 cm 3即此圆柱体在受压后体积约减少了200 cm 3例5 计算1 04202的近似值解 设函数f x yx y显然 要计算的值就是函数在x 104y 202时的函数值f 104 202 取x 1 y 2 x 004 y 002 由于f xx yy fx yf x x yxf y x yyx y yx y 1xx yln x y所以10420212212100412ln1002108例6 利用单摆摆动测定重力加速度g 的公式是224T lg π=现测得单摆摆长l 与振动周期T 分别为l =100±、T =2±.问由于测定l 与T 的误差而引起g 的绝对误差和相对误差各为多少解 如果把测量l 与T 所产生的误差当作|Δl |与|ΔT |,则利用上述计算公式所产生的误差就是二元函数224T lg π=的全增量的绝对值|Δg |.由于|Δl ||ΔT |都很小因此我们可以用dg 来近似地代替Δg 这样就得到g 的误差为||||||T T g l l g dg g ∆∂∂+∆∂∂=≈∆T l T g l g δδ⋅∂∂+⋅∂∂≤||||)21(4322Tl T l T δδπ+=其中l 与T 为l 与T 的绝对误差 把l =100 T =2, l =, δT =代入上式 得g 的绝对误差约为)004.02100221.0(4322⨯⨯+=πδg)/(93.45.022s cm ==π.02225.0210045.0=⨯=ππδg g从上面的例子可以看到对于一般的二元函数z =fx, y , 如果自变量x 、y 的绝对误差分别为x 、y , 即|Δx |x , |Δy |y , 则z 的误差||||||y y z x x z dz z ∆∂∂+∆∂∂=≈∆ ||||||||y y z x x z ∆⋅∂∂+∆⋅∂∂≤ y x y z x z δδ⋅∂∂+⋅∂∂≤||||从而得到z 的绝对误差约为yx z yz xz δδδ⋅∂∂+⋅∂∂=||||z 的相对误差约为yx z z y z z x zz δδδ∂∂+∂∂=||§8 4 多元复合函数的求导法则 设zfu v 而ut vt 如何求dt dz设zfu v 而ux y vx y 如何求x z∂∂和y z ∂∂1 复合函数的中间变量均为一元函数的情形定理1 如果函数ut 及vt 都在点t 可导 函数zfu v 在对应点u v 具有连续偏导数 则复合函数zft t 在点t 可导 且有dt dv v z dt du u z dt dz ⋅∂∂+⋅∂∂=简要证明1 因为zfu v 具有连续的偏导数 所以它是可微的 即有dvv z du uz dz ∂∂+∂∂=又因为ut 及vt 都可导 因而可微 即有dt dt du du = dtdt dv dv = 代入上式得dt dtdv v z dt dt du u z dz ⋅∂∂+⋅∂∂=dtdt dv v z dt du u z )(⋅∂∂+⋅∂∂= 从而 dt dvv z dt du u z dt dz ⋅∂∂+⋅∂∂=简要证明2 当t 取得增量t 时 u 、v 及z 相应地也取得增量u 、v 及z 由zfu v 、ut 及vt 的可微性 有)(ρo v v z u u z z +∆∂∂+∆∂∂=∆)()]([)]([ρo t o t dt dv v z t o t dt du u z +∆+∆∂∂+∆+∆∂∂=)()()()(ρo t o v z u z t dt dv v z dt du u z +∆∂∂+∂∂+∆⋅∂∂+⋅∂∂= t o t t o v z u z dt dv v z dt du u z t z ∆+∆∆∂∂+∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂=∆∆)()()(ρ令t 0 上式两边取极限 即得dt dvv z dt du u z dt dz ⋅∂∂+⋅∂∂=注0)()(0)()()(lim )(lim 222200=+⋅=∆∆+∆⋅=∆→∆→∆dt dv dt du t v u o t o t t ρρρ推广 设zf u v w u t vt wt 则zf t t t 对t 的导数为dt dww z dt dv v z dt du u z dt dz ∂∂+∂∂+∂∂=上述dt dz称为全导数2 复合函数的中间变量均为多元函数的情形定理2 如果函数ux y vx y 都在点x y 具有对x 及y 的偏导数 函数zfu v 在对应点u v 具有连续偏导数 则复合函数zf x y x y 在点x y 的两个偏导数存在 且有x v v z x u u z x z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂ y vv z y u u z y z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂推广 设zfu v w ux y vx y wx y 则x w w z x v v z x u u z x z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂ y ww z y v v z y u u z y z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂讨论 1设zfu v ux y vy 则=∂∂x z =∂∂y z提示 x u u z x z ∂∂⋅∂∂=∂∂ dy dvv z y u u z y z ⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂2设zfu x y 且ux y 则=∂∂x z =∂∂y z提示 x f x u u f x z ∂∂+∂∂∂∂=∂∂ y fy u u f y z ∂∂+∂∂∂∂=∂∂ 这里x z∂∂与xf ∂∂是不同的 x z∂∂是把复合函数zfx y x y 中的y 看作不变而对x 的偏导数 xf∂∂是把fu x y 中的u 及y 看作不变而 对x 的偏导数 y z∂∂与yf ∂∂也有类似的区别3．复合函数的中间变量既有一元函数 又有多元函数的情形定理3 如果函数ux y 在点x y 具有对x 及对y 的偏导数 函数vy 在点y 可导 函数zfu v 在对应点u v 具有连续偏导数 则复合函数zfx y y 在点x y 的两个偏导数存在 且有x u u z x z ∂∂⋅∂∂=∂∂ dy dvv z y u u z y z ⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂例1 设ze u sin v uxy vxy 求x z∂∂和y z ∂∂解 x vv z x u u z x z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂e u sin vye ucos v 1 e x yy sin xy cos xyy vv z y u u z y z ∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂e u sin vxe ucos v 1 e xyx sin xy cos xy 例2 设222),,(z y x ez y x f u ++== 而y x z sin 2= 求x u∂∂和y u ∂∂解 x zz f x f x u ∂∂⋅∂∂+∂∂=∂∂y x ze xez y xz y xsin 222222222⋅+=++++yx y xey x x 2422sin 22)sin 21(2++++=y zz f y f y u ∂∂⋅∂∂+∂∂=∂∂y x ze yez y xz y xcos 222222222⋅+=++++yx y xey y x y 2422sin 4)cos sin (2+++=例3 设zuv sin t 而uetv cos t 求全导数dt dz解 t zdt dv v z dt du u z dt dz ∂∂+⋅∂∂+⋅∂∂=ve tu sin t cos t e tcos te tsin t cos t e t cos t sin t cos t 例4 设wfxyz xyz f具有二阶连续偏导数 求x w∂∂及z x w ∂∂∂2解 令uxyz vxyz 则wfu v 引入记号u v u f f ∂∂='),(1 v u v u f f ∂∂∂='),(12同理有2f '11f ''22f ''等 21f yz f x v v f x u u f x w '+'=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂z f yz f y z f f yz f z z x w ∂'∂+'+∂'∂='+'∂∂=∂∂∂221212)(2222121211f z xy f yz f y f xy f ''+''+'+''+''= 22221211)(f z xy f y f z x y f ''+'+''++''= 注 1211111f xy f z v v f z u u f z f ''+''=∂∂⋅∂'∂+∂∂⋅∂'∂=∂'∂ 2221222f xy f z v v f z u u f z f ''+''=∂∂⋅∂'∂+∂∂⋅∂'∂=∂'∂例5 设ufx y 的所有二阶偏导数连续 把下列表达式转换成极坐标系中的形式122)()(y u xu ∂∂+∂∂ 22222y u x u ∂∂+∂∂ 解 由直角坐标与极坐标间的关系式得 ufx yf cos θ sin θF θ 其中x cos θ y sin θ 22yx +=ρx yarctan=θ应用复合函数求导法则 得x u x u x u ∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂θθρρ2ρθρρy u x u ∂∂-∂∂=ρθθθρsin cos y u u ∂∂-∂∂=y u y u y u ∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂θθρρ2ρθρρx u y u ∂∂+∂∂=ρθθθρcos sin ∂∂+∂∂=u u两式平方后相加 得22222)(1)()()(θρρ∂∂+∂∂=∂∂+∂∂u u yu x u 再求二阶偏导数 得x x u x x u x u ∂∂⋅∂∂∂∂+∂∂⋅∂∂∂∂=∂∂θθρρ)()(22θρθθθρρcos )sin cos (⋅∂∂-∂∂∂∂=u u ρθρθθθρθsin )sin cos (⋅∂∂-∂∂∂∂-u u 22222222sin cos sin 2cos ρθθρθθθρθρ∂∂+∂∂∂-∂∂=u u u ρθρρθθθ22sin cos sin 2∂∂+∂∂+u u同理可得2222222222cos cos sin 2sin ρθθρθθθρθρ∂∂+∂∂∂+∂∂=∂∂u u u y u ρθρρθθθ22cos cos sin 2∂∂+∂∂-u u两式相加 得22222222211θρρρρ∂∂++∂∂=∂∂+∂∂u u y u x u])([1222θρρρρρ∂∂+∂∂∂∂=u u全微分形式不变性 设zfu v 具有连续偏导数 则有全微分dvv z du uz dz ∂∂+∂∂= 如果zfu v 具有连续偏导数 而ux y vx y 也具有连续偏导数 则dyy z dx x z dz ∂∂+∂∂=dyy v v z y u u z dx x v v z x u u z )()(∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂=)()(dy y v dx x v v z dy y u dx x u u z ∂∂+∂∂∂∂+∂∂+∂∂∂∂= dv v z du uz ∂∂+∂∂= 由此可见 无论z 是自变量u 、v 的函数或中间变量u 、v 的函数 它的全微分形式是一样的 这个性质叫做全微分形式不变性例6 设ze usin v ux y vxy 利用全微分形式不变性求全微分解 dv v z du uz dz ∂∂+∂∂= e u sin vdu e ucos v dv e u sin vy dxx dy e u cos vdxdy ye u sin v e u cos vdxxe u sin v e ucos v dye xy y sin xy cos xydx e xyx sin xy cos xydy§8 5 隐函数的求导法则一、一个方程的情形 隐函数存在定理1设函数Fx y 在点Px 0 y 0的某一邻域内具有连续偏导数Fx 0 y 00 F y x 0 y 00 则方程Fx y 0在点x 0 y 0的某一邻域内恒能唯一确定一个连续且具有连续导数的函数yfx 它满足条件y 0fx 0 并有yx F F dx dy-= 求导公式证明 将yfx 代入Fx y 0 得恒等式 Fx fx 0 等式两边对x 求导得=⋅∂∂+∂∂dx dy y F x F由于F y 连续 且F y x 0 y 00 所以存在x 0 y 0的一个邻域 在这个邻域同F y 0 于是得yx F F dx dy-=例1 验证方程x 2y 210在点0 1的某一邻域内能唯一确定一个有连续导数、当x 0时y 1的隐函数yfx 并求这函数的一阶与二阶导数在x 0的值解 设Fx yx 2y 21 则F x 2x F y 2y F 0 10 F y 0 120 因此由定理1可知 方程x 2y 210在点0 1的某一邻域内能唯一确定一个有连续导数、当x 0时y 1的隐函数yfx yx F F dx dyy x -=-= 00==x dx dy332222221)(y y x y y y x x y y y x y dx y d -=+-=---='--=1022-==x dx yd隐函数存在定理还可以推广到多元函数 一个二元方程Fx y 0可以确定一个一元隐函数 一个三元方程Fx y z 0可以确定一个二元隐函数 隐函数存在定理2设函数Fx y z 在点Px 0 y 0 z 0的某一邻域内具有连续的偏导数 且Fx 0 y 0 z 00 F z x 0 y 0 z 00 则方程Fx y z 0在点x 0 y 0z 0的某一邻域内恒能唯一确定一个连续且具有连续偏导数的函数zfx y 它满足条件z 0fx 0 y 0 并有zxF F x z -=∂∂ zyF F y z -=∂∂公式的证明 将zfx y 代入Fx y z 0 得Fx y fx y 0 将上式两端分别对x 和y 求导 得0=∂∂⋅+x z F F z x 0=∂∂⋅+y zF F z y因为F z 连续且F z x 0 y 0 z 00 所以存在点x 0 y 0 z 0的一个邻域 使F z 0 于是得zx F F x z -=∂∂ zy F F y z -=∂∂例2. 设x 2y 2z 24z 0 求22x z∂∂解 设Fx y z x 2y 2z 24z 则F x 2x F y 2z 4 z x z x F F x z z x -=--=-=∂∂24223222222)2()2()2()2()2()2()2(z x x z z x x x z x z x x x z -+-=--+-=-∂∂+-=∂∂二、方程组的情形在一定条件下 由个方程组Fx y u v 0 Gx y u v 0可以确定一对二元函数uux y vvx y 例如方程xuyv 0和yuxv 1可以确定两个二元函数22y x y u +=22y x x v +=事实上 xuyv 0 u yx v =1=⋅+u y x x yu 22y x yu += 2222yx x y x yy x v +=+⋅=如何根据原方程组求u v 的偏导数 隐函数存在定理3 隐函数存在定理3设Fx y u v 、Gx y u v 在点Px 0 y 0 u 0 v 0的某一邻域内具有对各个变量的连续偏导数 又Fx 0 y 0 u 0 v 00 Gx 0 y 0 u 0 v 00 且偏导数所组成的函数行列式v G u Gv Fu Fv u G F J ∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂=),(),(在点Px 0 y 0 u 0 v 0不等于零 则方程组Fx y u v 0 Gx y u v 0在点Px 0 y 0 u 0 v 0的某一邻域内恒能唯一确定一组连续且具有连续偏导数的函数uux y vvx y 它们满足条件u 0ux 0 y 0 v 0vx 0y 0 并有v uv uv x v xG G F F G G F F v x G F J x u -=∂∂-=∂∂),(),(1vuv ux u x uG G F F G G F F x u G F J x v -=∂∂-=∂∂),(),(1vu vu vy v y G G F F G G F F v y G F J y u -=∂∂-=∂∂),(),(1vu vu yu y u G G F F G G F F y u G F J y v -=∂∂-=∂∂),(),(1隐函数的偏导数:设方程组Fx y u v 0 Gx y u v 0确定一对具有连续偏导数的二元函数uux y vvx y 则偏导数x u ∂∂ x v ∂∂由方程组⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂+∂∂+=∂∂+∂∂+.0,0x v G x u G G x v F x u F F v u x v u x 确定偏导数y u ∂∂ y v ∂∂由方程组⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂+∂∂+=∂∂+∂∂+.0,0y v G y u G G y v F y u F F v u y v u y 确定例3 设xuyv 0 yuxv 1 求x u ∂∂ x v ∂∂ y u∂∂和y v ∂∂解 两个方程两边分别对x 求偏导 得x u ∂∂和x v∂∂的方程组⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂++∂∂=∂∂-∂∂+00x v x v x u y x v y x u x u当x 2y 2时 解之得22y x yv xu x u ++-=∂∂ 22y x xvyu x v +-=∂∂两个方程两边分别对x 求偏导 得y u∂∂和y v∂∂的方程组⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂+∂∂+=∂∂--∂∂00y v x y u y u y v y v y u x 当x 2y 2时 解之得22y x yu xv y u +-=∂∂ 22y x yvxu y v ++-=∂∂另解 将两个方程的两边微分得⎩⎨⎧=+++=--+00xdv vdx ydu udy ydv vdy xdu udx 即⎩⎨⎧--=+-=-vdx udy xdv ydu udxvdy ydv xdu解之得dy y x yuxv dx y x yv xu du 2222+-+++-=dy y x yvxu dx y x xv yu dv 2222++-+-=于是 22y x yv xu x u ++-=∂∂ 22yx yu xv y u +-=∂∂22y x xv yu x v +-=∂∂ 22y x yv xu y v ++-=∂∂例 设函数xxu v yyu v 在点u v 的某一领域内连续且有连续偏导数 又0),(),(≠∂∂v u y x1证明方程组⎩⎨⎧==),(),(v u y y v u x x在点x y u v 的某一领域内唯一确定一组单值连续且有连续偏导数的反函数uux y vvx y2求反函数uux y vvx y 对x y 的偏导数 解 1将方程组改写成下面的形式⎩⎨⎧=-≡=-≡0),(),,,(0),(),,,(v u y y v u y x G v u x x v u y x F则按假设.0),(),(),(),(≠∂∂=∂∂=v u y x v u G F J由隐函数存在定理3 即得所要证的结论2将方程组7所确定的反函数uux yvvx y 代入7 即得⎩⎨⎧≡≡)],(),,([)],(),,([y x v y x u y y y x v y x u x x将上述恒等式两边分别对x 求偏导数得⎪⎩⎪⎨⎧∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=x v v y x u u y x vv x x u u x 01由于J 0 故可解得v y J x u ∂∂=∂∂1 u yJ x v ∂∂-=∂∂1同理 可得v x J y u ∂∂-=∂∂1 u xJ y v ∂∂=∂∂1§8 6多元函数微分学的几何应用一 空间曲线的切线与法平面 设空间曲线的参数方程为 xt yt zt 这里假定t t t 都在 上可导在曲线上取对应于tt 0的一点M 0x 0 y 0 z 0及对应于tt 0t 的邻近一点Mx 0+x y 0+y z 0+z 作曲线的割线MM 0 其方程为z z z y y y x x x ∆-=∆-=∆-000当点M 沿着趋于点M 0时割线MM 0的极限位置就是曲线在点M 0处的切线 考虑t z z z ty y y t x x x ∆∆-=∆∆-=∆∆-000 当MM 0 即t 0时 得曲线在点M 0处的切线方程为)()()(000000t z z t y y t x x ωψϕ'-='-='- 曲线的切向量 切线的方向向量称为曲线的切向量 向量T t 0 t 0 t 0就是曲线在点M 0处的一个切向量法平面 通过点M 0而与切线垂直的平面称为曲线在点M 0 处的法平面 其法平面方程为 t 0xx 0t 0yy 0t 0zz 00例1 求曲线xt yt 2zt 3在点1 1 1处的切线及法平面方程解 因为x t 1 y t 2t z t 3t 2而点1 1 1所对应的参数t 1 所以T 1 2 3 于是 切线方程为 312111-=-=-z y x法平面方程为x 12y 13z 10 即x 2y 3z 6讨论1 若曲线的方程为 yx zx问其切线和法平面方程是什么形式提示 曲线方程可看作参数方程 xx yx zx 切向量为T 1 x x2 若曲线的方程为Fx y z 0 Gx y z 0 问其切线和法平面方程又是什么形式提示 两方程确定了两个隐函数 yx zx 曲线的参数方程为xx yx zx由方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++00dx dz G dx dy G G dxdz F dx dy F F z y x z y x 可解得dx dy 和dx dz 切向量为) ,,1(dx dz dx dy =T例2 求曲线x 2y 2z 26 xyz 0在点1 2 1处的切线及法平面方程解 为求切向量 将所给方程的两边对x 求导数 得⎪⎩⎪⎨⎧=++=++010222dx dz dx dydxdz z dx dy y x解方程组得z y xz dx dy --= z y yx dx dz --=在点1 2 1处 0=dx dy 1-=dx dz从而T 1 0 1 所求切线方程为 110211--=+=-z y x法平面方程为x 10y 2z 10 即xz 0解 为求切向量 将所给方程的两边对x 求导数 得⎪⎩⎪⎨⎧=++=++010222dx dz dx dydx dz z dx dy y x方程组在点1 2 1处化为⎪⎩⎪⎨⎧-=+=-112dx dz dx dydx dz dx dy 解方程组得0=dx dy 1-=dx dz从而T 1 0 1 所求切线方程为 110211--=+=-z y x法平面方程为x 10y 2z 10 即xz 0。
第8章 多元函数微分法及其应用 习题 8- (9)
1 1 1 , y = , z = − , 代入式(8)解得 λ λ 2λ
λ=
当λ =
3 3 或λ = − , 2 2
3 1 2 2 时, 可得 x = − , y = , z = − , 2 3 3 3
3 1 2 2 当 λ = − 时, 可得 x = , y = − , z = . 2 3 3 3
第九节
多元函数的极值与最优化问题
习题 8-9
1. (1) 解
求下列函数的极值: f ( x, y ) = (6 x − x 2 )(4 y − y 2 ) ; (1) 先求函数的驻点. (2) f ( x, y ) = e 2 x ( x + y 2 + 2 y ) .
2 ⎧ ⎪ f x = (6 − 2 x)(4 y − y ) = 0, 求得五组解 解方程组 ⎨ 2 f = (6 x − x )(4 − 2 y ) = 0, ⎪ y ⎩
f ( x, y ) = 1 − 2 y + 3 y 2 (1 ≤ y ≤ 2) ,
由 f ′( x, y ) = −2 + 6 y = 0 , 得 y =
1 (舍去). 3
f ( x, y ) = 1 − 2 y + 3 y 2 对应于 y = 1, y = 2 处的值分别为 2,9.
因此通过比较可知, f ( x, y ) 在闭区域 D 上的最大值为 11, 最小值为 2. 注意 如果二元函数在有界闭区域 D 上连续, 在 D 内可微分, 且只有有限个驻 点, 那么求二元函数在 D 上的最值的一般方法是, 先求函数在 D 内的所有驻点处的 函数值, 再考虑函数在 D 的边界上的最大值和最小值, 把它们加以比较, 其中最大 的就是最大值, 最小的就是最小值.
多元函数的微分学典型例题
多元函数的微分学典型例题例 1 设 2 2 y xy x z + - = ．求它在点 ) 1 , 1 ( 处沿方向v = ) sin , cos ( a a 的方向导 数，并指出：（1） 沿哪个方向的方向导数最大？ （2） 沿哪个方向的方向导数最小？ （3） 沿哪个方向的方向导数为零？解 1 ) 1 , 1 ( = x z ， 1 ) 1 , 1 ( = y z ． ) 1 , 1 (v z¶ ¶ a a sin cos + = ．因此（1） 函数 a a a j sin cos ) ( + = 在 4pa = 取最大值，即沿方向 ) 1 , 1 ( 的方向导数最大．（2） 函数 a a a j sin cos ) ( + = 在 4 pa - = 取最小值，即沿方向 ) 1 , 1 ( - - 的方向导数最小．（3） 43pa - = 是函数 a a a j sin cos ) ( + = 的零点，即沿方向 ) 1 , 1 (- 的方向导数为零．例 2 如果函数 ) , ( y x f 在点 ) 2 , 1 ( 处可微， 且从点 ) 2 , 1 ( 到点 ) 2 , 2 ( 方向的方向 导数为2，从点 ) 2 , 1 ( 到点 ) 1 , 1 ( 方向的方向导数为 2 - ．求 （1） 该函数在点 ) 2 , 1 ( 处的梯度；（2） 该函数在点 ) 2 , 1 ( 处从点 ) 2 , 1 ( 到点 ) 6 , 4 ( 方向的方向导数． 解 （1） 设 x f 和 y f 分别表示函数 ) , ( y x f 在点 ) 2 , 1 ( 处关于x 和 y 的偏导 数，从点 ) 2 , 1 ( 到点 ) 2 , 2 ( 的方向为 1 l ，从点 ) 2 , 1 ( 到点 ) 1 , 1 ( 的方向为 2 l ，则 1 l 和 2 l 的方向余弦分别为 ) 0 , 1 ( 和 ) 1 , 0 ( - ，于是就有x f l f = ¶ ¶ 12 0 1 = × + × y f ，故 2 = x f ； 2 1 0 2 - = × - × = ¶ ¶ y x f f l f ，故 2 = y f ． 因此 ) 2 , 2 ( ) 2 , 1 ( = gragf ．（2） 在点 ) 2 , 1 ( 处从点 ) 2 , 1 ( 到点 ) 6 , 4 ( 方向的方向余弦为 ÷ ø öç è æ 5 4,5 3 ，设该方向为l ，则 l f ¶ ¶ ) 2 , 1 ( 5145 4 2 5 3 2 = ´ + ´ = ．例 3 验证函数) , ( y x f ïî ï í ì = + ¹ + + = . 0 ,0 , 0 , 2 2 22 22 y x y x yx xy 在原点 ) 0 , 0 ( 连续且可偏导，但它在该点不可微．验证 注意不等式 | | 2 2 xy y x ³ + ，就有0 | | 0 2 2 22 2 2 22 ® + = + + £ + £y x y x y x y x xy ， ) , ( y x ® ) 0 , 0 ( ．故而 0 ) , ( lim)0 , 0 ( ) , ( = ® y x f y x f = ) 0 , 0 ( ．因此， ) , ( y xf 在原点 ) 0 , 0 ( 连续． x f ) 0 , 0 ( = 0lim® x 0 )0 , 0 ( ) 0 , ( = - xf x f ，由变量对称性得 y f ) 0 , 0 ( 0 = ．即该函数在原点 ) 0 , 0 ( 可偏导．假如 ) , ( y x f 在原点 ) 0 , 0 ( 可微，就应有) , ( y x f = - ) 0 , 0 ( f x f ) 0 , 0 ( + x y f ) 0 , 0 ( ) ( 2 2 y x y + +o ，即 ) , ( y x f = ) ( 2 2 y x + o ．但这是不可能的，因为沿路径 ) 0 ( ¹ = k kx y ，就有= + ® 2 2 )0 , 0 ( ) , ( ), ( limyx y x f kx x = + ® 2 2 ) 0 , 0 ( ) , ( lim y x xykx x 0 1 lim 2 2 2 2 2 0 ¹ + = + ® k k x k x kx x ．可见， ) , ( y x f ¹ ) ( 2 2 y x + o ．因此， ) , ( y x f 在原点 ) 0 , 0 ( 不可微． 例 4 验证函数) , ( y x f ï îï íì = + ¹ + + + = . 0 , 0 , 0 , 1 sin ) ( 2 2 22 22 2 2 y x y x y x y x 的偏导函数 ) , ( y x f x 和 ) , ( y x f y 在原点 ) 0 , 0 ( 不连续，但它却在该点可微．验证x f ) 0 , 0 ( = 0lim® x 0 1sin lim ) 0 , 0 ( ) 0 , ( 2 0 = = - ® xx x f x f x ； ) , ( y x ¹ ) 0 , 0 ( 时，) , ( y x f x 22 2222222121 2sin()cos () x x x y x y x y x yæö =++- ç÷ +++ èø 2 2 2 2 2 2 1cos2 1 sin2 y x y x x y x x + + - + = ．因此， ) , ( y x f x ï î ï íì= + ¹ + + + - + = . 0 , 0 , 0 , 1 cos 2 1 sin 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 y x y x y x y x x y x x 由变量对称，得) , ( y x f y ï îï íì= + ¹ + + + - + = . 0 , 0 , 0 , 1 cos 2 1 sin 2 2 2 2 2 22 2 2 2 2 y x y x y x y x y y x y ) , ( y x f x 在点 ) 0 , 0 ( 不连续．事实上，沿路径 x y = ， ® ) , ( x x ) 0 , 0 ( 时，2 2 2 2 1 cos 2 2 2 1 sin2 ) , ( x x x x x x x f x - = 中，第一项趋于零，而第二项 22 1cos 1 x x - 的极限不存在(比如取 pk x k 2 1=， +¥ ® k 时有 0 ® k x ，而2 2 1cos 1 kk x x -¥ ® )．可见， x y x f ) 0 , 0 ( ) , ( lim ® ) , ( y x 不存在，因此 ) , ( y xf x 在点 ) 0 , 0 ( 不连续．同理可证 ) , ( y x f y 在点 ) 0 , 0 ( 不连续． 但由于0 1sin ) , ( 0 2 2 22 2 2 22 ® + £ + + =+ £y x y x y x y x y x f ，® ) , ( y x ) 0 , 0 ( ，就有 0 ) , ( 22® + yx y x f ，于是就有0 ) , ( ) 0 , 0 ( ) 0 , 0 ( ) 0 , 0 ( ) , ( 2222® + =+ - - - yx y x f yx yf x f f y x f y x ， ® ) , ( y x ) 0 , 0 ( ，即 ) ( ) 0 , 0 ( ) 0 , 0 ( ) 0 , 0 ( ) , ( 2 2 y x y f x f f y x f y x + + + = - o ． 可见 f 在点 ) 0 , 0 ( 可微． 例 5 证明函数) , ( y x f ï îïí ì = + ¹ + + = . 0 , 0 , 0 , 2 22 22 42 2 y x y x y x xy 在原点 ) 0 , 0 ( 处沿各个方向的方向导数都存在，但它在该点不连续，因此不可 微．证 设 ) sin , cos ( a a = l 则= - = ¶ ¶ ® tf t t f l f t )0 , 0 ( ) sin , cos ( lim 0 a a 32 2244 0 2cos sin lim ( cos sin )t t t t t a a a a ® = +3 0 , , , 22 2tan sin , , . 22p p a p p a a a ì= ï ï = íï ¹ ï î 可见在原点 ) 0 , 0 ( 处沿各个方向的方向导数都存在．但沿路径 2y x = ，有 = ® ) , ( lim )0 , 0 ( ) , ( 2y x f y y f y y y y y ¹ = + ® 1 2 lim 4 4 22 0 ) 0 , 0 ( 可见 f 在 原点 ) 0 , 0 ( 并不连续，因此不可微． 例 6 计算下列函数的高阶导数或高阶微分： （1） x yz arctan = ，求 2 2 x z ¶ ¶ ， y x z ¶ ¶ ¶ 2 22 y z ¶ ¶ ；解 x z ¶ ¶ 2 2 2 2 2 1 y x y x y x y + - = + -= ， y z ¶ ¶ 22 22 1 1 y x x xy x + = + =． 2 2 x z ¶ ¶ 2 2 2 ) ( 2 y x xy + = ， y x z ¶ ¶ ¶ 2 2 2 2 2 2 ) ( y x x y + - = ， 2 2 y z ¶ ¶ = 22 2 )( 2 y x xy+ - ． （2） xyxe z = ，求 y x z ¶ ¶ ¶ 2 3 和 23 y x z¶ ¶ ¶ ．解 x z ¶ ¶ = ) 1 ( xy e xye e xyxy xy + = + ， 2 2 x z ¶ ¶ ) 2 ( ) 1 ( xy ye y e xy ye xy xy xy + = + + = ；yx z¶ ¶ ¶ 2 ) 2 ( ) 1 ( xy xe xe xy xe xy xy xy + = + + = ． y x z ¶ ¶ ¶ 2 3 = = ¶ ¶ ¶¶ x y x z 3 = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ y x z x 2 xyxy xy xy e xy xye xye xy e ) 2 3 ( ) 2 ( + = + + + ；2 3 y x z ¶ ¶ ¶ = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ = y x z y 2 ( )= + + xy xy xe xy xe x ) 2 ( xye y x x x ) 3 ( 2 + ． （3） ) ln(xy x z = ，求 z d 2 ； 解 x z 1 ) ln( ) ln( + = + = xy xy xy xy， xy z y xy x 1 = = ， x xy y z xx 1= = ；y z y x xy x = = 2 ， yy z 2 yx- = ．2222222 2 12 xx xy yy d z dx dy z z dx z dxdy z dy x y x dx dxdy dy x y yæö¶¶ =+=++ ç÷ ¶¶ èø =+- ．（4） ) ( sin 2 by ax z + = ，求 z d 3 ．解 x z ) ( 2 sin by ax a + = ， xx z ) ( 2 cos 2 2 by ax a + = ， = 3x z ) ( 2 sin 4 3 by ax a + - ，) ( 2 sin 4 2 axby b a z xxy - = ； y z ) ( 2 sin by ax b + = ， ) ( 2 cos 2 2 by ax b z yy + = ，= = yyx xyy z z ) ( 2 sin 4 2 by ax ab + - ． = 3 y z ) ( 2 sin 4 3 by ax b + - ．z d 3 = = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ + ¶¶ z y dy x dx 33223322333 x x y xy y z dx z dx dy z dxdy z dy +++ ) ( 2 sin 12 ) ( 2 sin 4 2 3 by ax b a by ax a + - + - = ) ( 2 sin 12 2 by ax ab + - 3 4sin 2()b ax by -+ ) ( 2 sin ) ( 4 3 by ax b a + + - = ．例 7 利用链式规则求偏导数 ：（1） ÷ ÷ øö ç ç è æ = , y x xy f u ．求 x u¶ ¶ ， y u ¶ ¶ ， y x u ¶ ¶ ¶ 2 和 2 2 y u ¶ ¶ ．解 设 xy t = ， yxs = ．x u ¶ ¶ = ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ = x s s f x t t f s f y t f y ¶ ¶ + ¶ ¶ 1 ， y u ¶ ¶ = ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ = y s s f y t t f sfy x t f x ¶ ¶ - ¶ ¶ 2 ；y x u ¶ ¶ ¶ 2 ÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ = x u y ÷ ÷ øö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ = y s s t f y t t f y t f 2 2 2 22 22 11 f f t f s y s y s t y s y æö¶¶¶¶¶ -++ ç÷ ¶¶¶¶¶¶ èø = ÷ ÷ øö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ - ¶ ¶ + ¶ ¶ s t f y x t f x y t f 2 2 2 2 22 222 11 f f x f x y s y s t y s æö¶¶¶ -+- ç÷ ¶¶¶¶ èø 2 2 t f xy ¶ ¶ = s t f y x ¶ ¶ ¶ - 2 3 s fy t f ¶ ¶ - ¶ ¶ + 2 1 ．2 2 y u ¶ ¶ ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ = y u y 2 f x f x y t y s æö ¶¶¶ =- ç÷ ¶¶¶èø 23 2 2 2 2 y xs f y x y s s t f y t t f x - ¶ ¶ + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ = = ÷ ÷ øöç ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ y s s f y t t s f 2 2 2 23 2 2 2 2 2 y xs f y x s t f y x tf x x - ¶ ¶ + ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ - ¶ ¶ = = ÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ - ¶ ¶ ¶ 2 2 2 2 s f y x t sf x s f y x s f y x s t f y x t f x ¶¶ +¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ - ¶ ¶ = 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22 2 ． （2） ) ( 222z y x f u + + = ．求 x u ¶ ¶ ， y u ¶ ¶ ， z u¶ ¶ ， y x u ¶ ¶ ¶ 2 和 2 2 xu ¶ ¶ ．解 设 2 2 2 z y x t + + = ．x u ¶ ¶ ( 2 ) ( f x x tt f ¢ = ¶ ¶ ¢ = ) 2 2 2 z y x + + ， y u ¶ ¶ ( 2 ) ( f y yt t f ¢ = ¶ ¶ ¢= ) 2 2 2 z y x + + ， z u ¶ ¶ ( 2 ) ( f z zt t f ¢ = ¶ ¶ ¢ = ) 2 2 2 z y x + + ；y x u ¶ ¶ ¶ 2 = ÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ = x u y ( )= + + ¢ ¶ ¶) ( 2 2 2 2 z y x f x y 4( xyf ¢¢ ) 2 2 2 z y x + + ； 22 xu ¶ ¶ = ÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ = x u x ( ) 222 2() xf x y z x ¶¢ ++ ¶ 2( f ¢ = ) 2 2 2 z y x + + 2 4x + ( f ¢¢ ) 2 2 2 z y x + + ． 例 8 设函数 ) , ( y x f z = 具有二阶连续导数．写出 2 2 x z ¶ ¶ 2 2 y z ¶ ¶ + 在坐标变换2 2 y x u - = ， xy v 2 = 下的表达式．解x z ¶ ¶ = u z ¶ ¶ x u ¶ ¶ + v z ¶ ¶ x v ¶ ¶ x 2 = u z ¶ ¶ + y 2 vz¶ ¶ ，2 2 x z ¶ ¶ 2 = u z¶ ¶ ÷ ÷ øö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ + x v v u z x u u z x 2 2 2 2 22 2 2 z u z v y v u x v x æö ¶¶¶¶ ++ ç÷ ¶¶¶¶¶ èø 2 2 24 u z x ¶ ¶ = v u z xy ¶ ¶ ¶ + 2 8 222 4 v z y ¶ ¶ + 2 + u z ¶ ¶ ．y z ¶ ¶ = u z ¶ ¶ y u ¶ ¶ + v z ¶ ¶ y v ¶ ¶ y 2 - = u z ¶ ¶ + x 2 vz¶ ¶ ，2 2 y z ¶ ¶ 2 - = u z¶ ¶ ÷ ÷ øö ç ç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ - y v v u z y u u z y 2 2 2 2 22 2 2 z u z v x v u y v y æö ¶¶¶¶ ++ ç÷ ¶¶¶¶¶ èø u z vz x v u z xy u z y ¶ ¶ - ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ - ¶ ¶ = 2 4 8 4 222 2 2 2 2． 则2 2 x z ¶ ¶ 22 y z ¶ ¶ + 2 2 2 4 u z x ¶ ¶ = v u z xy ¶ ¶ ¶ + 2 8 2 22 4 v z y ¶ ¶ + 2 + u z ¶ ¶ = ¶ ¶ - ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ - ¶ ¶ + u z v z x v u z xy u z y 2 4 8 4 2 2 2 2 2 2 2÷ ÷ ø ö ç ç è æ ¶ ¶ + ¶¶ + 2 2 2 22 2 ) ( 4 v z u z y x ． 例 9 （1）写出函数 ) , ( y x f 9 8 6 2 23 2 2 3 3 + - - - - + = y x xy y x y x 在点 ) 2 , 1 ( 的Taylor 展开式．解= ) 2 , 1 ( f 16 - ， = ) 2 , 1 ( x f 13 - ， = ) 2 , 1 ( y f 6 - ； = ) 2 , 1 ( xx f 10， = ) 2 , 1 ( xy f 12 - ， = ) 2 , 1 ( yy f 8；= ) 2 , 1 ( 3 x f 18， = ) 2 , 1 ( xxy f 4 - ， 4 ) 2 , 1 ( - = xyy f ， 6 ) 2 , 1 ( 3 = y f ．更高阶的导数全为零 ．因此， ) , ( y x f = + ) 2 , 1 ( f + - ) 1 )( 2 , 1 ( x f x ( 1 , 2 )(2)y f y - + - + 2 ) 1 )( 2 , 1 ( x f xx + - - ) 2 )( 1 )( 2 , 1 ( 2 y x f xy 2( 1 , 2 )(2) yy f y - 3 3 ( 1 , 2 )(1) x f x +- 3 ) 2 ( ) 1 )( 2 , 1 ( 3 2 + - - + y x f xxy 2) 2 )( 1 )( 2 , 1 ( - - y x f xyy 3 3 ( 1 , 2 )(2)y f y +- 22 1613(1)6(2)5(1)12(1)(2)4(2)x y x x y y =-----+----+- 3 2 2 3 ) 2 ( ) 2 )( 1 ( 2 ) 2 ( ) 1 ( 2 ) 1 ( 3 - + - - - - - - - + y y x y x x ．（2） 求函数 ) , ( y x f y x e + = 在点 ) 0 , 0 ( 的n 阶Taylor 展开式，并写出余项．解x f ¶ ¶ y x e + = ， y f ¶ ¶ yx e + = ，一般地，有 k h k h yx f ¶ ¶ ¶ + y x e + = ，则 1 ) 0 , 0 ( 00 = = ¶ ¶ ¶ + + e yx f kh k h ． 因此， ) , ( y x f 在点 ) 0 , 0 ( 的n 阶Taylor 展开式为) , ( y x f å = + ÷ ÷ øö ç ç è æ ¶ ¶ + ¶ ¶ = n k kf y y x x k 0 ) 0 , 0 ( ! 1 )! 1 ( 1 + n 1( , )n x y f x y x y q q + æö ¶¶ + ç÷ ¶¶ èø å = + + = nk k y x k 0 ) ( ! 1 )! 1 ( 1 + n yx n e y y x x 1q q + + ÷ ÷ øö ç ç è æ ¶ ¶ + ¶ ¶ ， ) 1 0 ( < <q ．例 10 求下列方程所确定的隐函数的导数或偏导数：（1） 0 arctan = - + a y a y x ，求 dx dy 和 2 2 dxy d ；解 0 1 1 2 = ¢ - ÷ øöç è æ + + ¢+ a y a y x a y ，即 a y y x a y a ¢ = + + ¢ + 2 2 ) ( ) 1 ( ，即 dx dy 22 ) ( y x a + = ． 由 2 2 ) ( y x y a + ¢ = ，再求导 0 ) 1 )( ( 2 ) ( 2 = ¢ + + ¢ + + ¢ ¢ y y x y y x y ，解得 2 ) ( ) 1 )( ( 2 y x y y x y y + ¢ + + ¢ - = ¢ ¢ ，代入 = ¢ y 22)( y x a + ，得 2 2 dx y d 22 23 () () x y a a x y ++ = + ． （2） 0 = -xyz e z，求 x z ¶ ¶ 、 y z ¶ ¶、 2 2 xz ¶ ¶ 和 y x z ¶ ¶ ¶ 2 ；解 方程 0 = -xyz e z 两端对x 求导，得 0 = - - x z x xyz yz e z ， x z ¶ ¶ xye yzz - = ；方程 0 = -xyz e z 两端对y 求导，得 0 = - - z z y xyz xz e z ， y z ¶ ¶ xye xzz - = ．0 = - - x z x xyz yz e z 再对x 求导，得 0 2 = - - - - + xx x x zx z xx xyz yz xz z e z e z ，解得2 2 x z ¶ ¶ xy e e z z y x z z zx x - - + + = 2 ) ( 32 2 2 2 ) ( ) ( xy e e z y xy e z y ze zzz z - - - + = ． 同理得y x z ¶ ¶ ¶ 2 32 2 2 2 )( ) ( xy e e z x xy e z x ze zzz z - - - + = ． （3） 0 ) , , ( = + + + x z z y y x f ，求 x z ¶ ¶ 和 yz ¶ ¶．解 设 y x u + = ， z y v + = ， x z w + = ，方程 0 ) , , ( = + + + x z z y y x f 两端对x 求导，得 = ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ x w w f x v v f x u u f 0 1 = ÷ ø ö ç è æ + ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ x z w f x z v f u f，解得 x z¶ ¶ w v u w f f f f + + - = ；同理得 y z ¶ ¶ wv v u f f f f + + - = ．例 11 求下列方程组所确定的隐函数的导数或偏导数 ：（1） ï î ï í ì = + + = - - . 4 32 ,0 22 2 2 22 a z y x y x z 求 dx dy ， dx dz ， 2 2 dx y d 和 2 2 dx z d ； 解 方程对x 求导，注意 y 和z 是x 的函数，就有 î íì = ¢ + ¢ + = ¢ - - ¢ . 0 6 4 2 , 0 2 2 z z y y x y yx z *) 解得 dx dy ) 3 1 ( 2 6 z y xz x + + - = ， dx dzzx z y xy 3 1 ) 3 1 ( 2 2 + = + = ．方程 *)在对x 求导，有 ï î ï íì = ¢ + ¢ ¢ + ¢ + ¢ ¢ + = ¢ - ¢ ¢ - - ¢ ¢ . 0 6 6 4 4 , 0 2 2 2 2 2 2 z z z y y yx y y y z 解得 2 2 dx yd ) 3 1 ( 4 12 6 ) 3 1 ( 4 2 2 z y z z z y x + + ¢ + + ¢ + - = ， 2 2 dxz d ) 3 1 ( 2 6 ) 1 ( 4 4 2 2 z y z y xy y y y + ¢ - - + ¢ + = ；代入 dx dy 和 dxdz的表达式，即得2 2 dx y d 2 22 3 ) 3 1 ( 2 3 ) 3 1 ( 4 ) 6 1 ( 4 ) 3 1 ( 4 12 z y x z y z x z y z x + -+ + - + + - = ， 2 2 dx z d 222 3 ) 3 1 ( 3 ) 3 1 ( 2 ) 6 )( 1 ( ) 4 (2 1 z x z y xz x y x + - + + + + - = ． （2） î í ì - = + = . ) , (, ) , , ( 2y v x u g v y v x u f u 求 x u ¶ ¶ 和 y v ¶ ¶ ． 解 设 y v s + = ， x u t - = ， y v r 2 = ，方程对x 求导，注意u 和v 是x 的函 数，就有î íì + = + + = . ) , ( ) , (, ) , , ( ) , , ( ) , , (2 x r x t x x s x x u x r r t g t y v t g v s s x u f s x u f u s x u f u 即î íì + - = + + = . 2 ) , ( ) 1 )( , (, ) , , ( ) , , ( ) , , ( x r x t x x s x x u x yvv r t g u r t g v v s x u f s x u f u s x uf u 解得x u¶ ¶ ), ( ) , , ( ] 1 ) , ( 2 ][ 1 ) , , ( [ ) , ( ) , , ( ] 1 ) , ( 2 )[ , , ( r t g s x u f r t yvg s x u f r t g s x u f r t yvg s x u f t s r u t s r x - - - + - - = ； 方程对 y 求导，注意u 和v 是x 的函数，就有ï îï í ì + + = + + = . ) 2 )( , ( ) , ( , 1) )( , , ( ) , , ( 2 v yvv r t g u r t g v v s x u f u s x u f u y r y t y y s y u y 解得y v ¶ ¶), ( ) , , ( ] 1 ) , ( 2 ][ 1 ) , , ( [ ) , ( ) , , ( ] 1 ) , ( 2 )[ , , ( 2 r t g s x u f r t yvg s x u f r t g s x u f v r t yvg s x u f t s r u r s r s - - - - - -= ． 例 12 设函数 ) , ( y x f z = 具有二阶连续偏导数． 在极坐标 q cos r x = ， q sin r y = 变换下，求 + ¶ ¶ 2 2 x f 2 2 yf¶ ¶ 关于极坐标的表达式．解2 2 y x r + = ， xy arctan = q ．所以= ¶ ¶ x f = ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ x f x r r f q q 2 2 2 2 y x y f y x x r f + ¶ ¶ - + ¶ ¶ q qq q ¶ ¶ - ¶ ¶ = f r r f sin cos ， = ¶ ¶ y f = ¶ ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ ¶ y f y r r f q q 2 2 2 2 y x x f y x y r f + ¶ ¶ + + ¶ ¶ q q q q ¶ ¶ + ¶ ¶ = f r r f cos sin ； 2 2 x f ¶ ¶ ÷ ø ö ç è æ ¶ ¶ - ¶ ¶ ¶¶ = q q q f r r f x sin cos r ¶ ¶ = q cos sin cos f f r r q q q ¶¶ æö - ç÷ ¶¶ èø q q ¶ ¶ -r sin sin cos f f r r q q q ¶¶ æö- ç÷¶¶ èør fr f rf r r f r csos r f ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ - ¶ ¶ = q q q q q q q q q q 2 22 2 2 2 2 2 2 2sin cos sin 2 sin sin 2 cos ； 类似有22 yf ¶ ¶ r f r f r f r r f r csos r f ¶ ¶ + ¶ ¶ - ¶ ¶ + ¶ ¶ ¶ + ¶ ¶ = q q q q q q q q q q 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2cos cos sin 2 cos sin 2 sin ． 于是得 + ¶ ¶ 2 2 x f 2 2 yf ¶ ¶ = r fr f r r f ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ 1 1 2 2 2 2 2 q ．例 13 证明：通过线性变换 y x u l + = ， y x v m + = ，可以北将方程A 2 2 x f ¶ ¶B 2 + y x f ¶ ¶ ¶ 2C + 0 2 2 = ¶ ¶ yf，( 0 2 < - B AC )化简为 0 2 = ¶ ¶ ¶ v u f．并说明此时l 和m 为一元二次方程 0 2 2 = + + Ct Bt A 的两个相异实根．证 由 y x u l + = 和 y x v m + = 得x f ¶ ¶ v f u f ¶ ¶ + ¶ ¶ = ， y u ¶ ¶ vfu f ¶ ¶ + ¶ ¶ = m l ． 2 2 x f ¶ ¶ + ¶ ¶ = 2 2 u f + ¶ ¶ ¶ v u f 2 2 2 v f ¶ ¶ ， 2 2 y f ¶ ¶ lm l 2 2 2 2 + ¶ ¶ = u f + ¶ ¶ ¶ v u f 2 222 v f ¶ ¶ m ， = ¶ ¶ ¶ v u f 2 ) ( 2 2 m l l + + ¶ ¶ u f + ¶ ¶ ¶ v u f 2 2 22 vf ¶ ¶ m ． 代入A 2 2 x f ¶ ¶ B 2 + y x f ¶ ¶ ¶ 2 C + 0 2 2 = ¶ ¶ yf ，化简得) 2 ( 2l l C B A + + 2 2 u f ¶ ¶ + ) 2 ( 2 m m C B A + + 2 2 vf ¶ ¶] 2 ) ( 2 2 [ lm m l C B A + + + + 0 2 = ¶ ¶ ¶ vu f．可见，当且仅当l 和m 为一元二次方程 0 2 2 = + + Ct Bt A 的两个相异实根时，方 程就化成 0 2 = ¶ ¶ ¶ vu f．例 14 求椭球面 498 3 2 2 2 2 = + + z y x 的平行于平面 7 5 3 = + + z y x 的切平面．解 所求切平面的法向量为 ) 6 , 4 , 2 ( z y x ，应有 56 3 4 1 2 z y x = = k 令== ，就有 2 k x = ， k y 4 3 = ， k z 6 5 = ，代入方程 498 3 2 2 2 2 = + + z y x ，有 498 2483 2 = k ，得12 ± = k ． 在点M ) 10 , 9 , 6 ( 和N ) 10 , 9 , 6 ( - - - 的切平面与平面 7 5 3 = + + z y x 平 行．在点M ) 10 , 9 , 6 ( 的法向量为 ) 60 , 36 , 12 ( ，切平面为0 ) 10 ( 60 ) 9 ( 36 ) 6 ( 12 = - + - + - z y x ，即 0 83 5 3 = - + + z y x ；在点N ) 10 , 9 , 6 ( - - - 的法向量为 ) 60 , 36 , 12 ( - - - ，切平面为0 ) 10 ( 60 ) 9 ( 36 ) 6 ( 12 = + - + - + - z y x ，即 0 83 5 3 = + + + z y x ．综上，椭球面 498 3 2 2 2 2 = + + z y x 上，平行于平面 7 5 3 = + + z y x 的切平面 有两块，它们是 0 83 5 3 = ± + + z y x ．例15 证明曲面 a z y x = + + ) 0 ( > a 上任一点的切平面在各坐标轴上的 截距之和等于a ．证 设M ) , , ( 0 0 0 z y x 为曲面 a z y x = + + 上任的一点，曲面在该点的切面为0 2 2 2 00 00 00 = - + - + - z z z y y y x x x ，即0 ) ( 0 0 0 0 00 = + + - + + z y x z z y y x x ， 亦即0 0 0 0 = - + + a z z y y x x ．化为截距式即为 1 0 0 0= + + az zay y ax x ． 可见在各坐标轴上的截距之和为a az ay ax = + + 0 0 0 = + + ) ( 0 0 0 z y x a ．例 16 在 ] 1 , 0 [ 上用怎样的直线 b ax + = x 来代替曲线 2 x y = ，才能使它在平方 误差的积分 = ) , ( b a J ò - 10 2 ) ( dx y x 为极小意义下的最佳近似．解 = ) , ( b a J = - - ò 10 22) ( dx b ax x 51 32 23 2 2 + - - + + b a ab b a ．现求其中极小值．ï ï îï ï íì- + = - + = .3 2 2 ,2 1 3 2 a b J b a J b a 解得有唯一驻点M ÷ ø ö ç èæ- 6 1 , 1 ．0 3 1 1 2 3 2 | ) ( > = - ´ = - M ab bb aa J J J ，又 0 32| > = Maa J ，因此， ) , ( b a J 在点 M ÷ ø ö ç è æ- 6 1 , 1 取极小值．因为 ) , ( b a J 在R 2 中仅有唯一的极小值，可见该极小值还是最小值．因此，在 ] 1 , 0 [ 上用直线 61- = x x 来代替曲线 2 x y = ，才能使它在平方误差的积分为极小的意义下是最佳的近似．例 17 要做一圆柱形帐篷，并给它加一个圆锥形的顶．问在体积为定值时，圆柱的半径R ，高H 及圆锥的高h 满足什么关系时，所用的布料最省？解 设体积为定值V ，则 ÷ ø ö ç èæ+ = h H R V 3 1 2 p ，得 h R V H 3 1 2 - = p ．帐篷的全面积为2 2 2 2 322 2 ) , ( h R R Rh R V h R R RH h R S + + - =+ + = p p p p ， 0 > R ， 0 > H ． R S 0 3 2 2 2 2 2 22 2 = + + + + - - = hR R h R h R V p p p ，(*)0 3 2 2 2 = + + - = hR RhR S h p p ．(**)由(**)式的得 h h R 232 2 = + ，代入(*)式，有R S 0 6 4 5 12 242 2 = + + - = h R R h R Vh p p ，由 0 6 2 > h R ，应有 0 12 5 4 2 2 2 = - + Vh h R R p p ． 这就是驻点出应满足的关系式．由于该问题在于有最小值，这也是帐篷的全面 积 ) , ( h R S 取最小值时，圆柱的半径R 与圆锥的高h 所应满足的关系式． 例 18 抛物面 2 2 y x z + = 被平面 1 = + + z y x 截成一椭圆．求原点到这个椭圆的 最长距离与最短距离．解 这是求函数 2 2 2 ) , , ( z y x z y x d + + = 在约束条件 0 2 2 = - - y x z 与0 1= - + + z y x 之下的条件极值问题 ．构造 Lagrange 函数= ) , , , , ( m l z y x L l - + + 2 2 2 z y x m + - - ) ( 2 2 y x z ) 1 ( - + + z y x ．(5) . 0 1 (4) , 0 (3) , 0 2) 2 ( , 0 2 2 ) 1 ( , 0 2 2 2 2 ï ï ï î ïï ïí ì = - + + = = - + = = + - = = + + = = + + = z y x Lz y x L z L y y Lx x L z y x m l m l m l m l 由（1）和（2）有 0 ) 1 )( ( 2 = + - l y x ，由于 1 - ¹ l (否则由（1）得 0 = m ，据（3）得 2 1 - = z ，代入（4） ，导致 0 212 2 = + + y x 无解)，得 y x = ．把 y x = 代入（4）和（5） ，解得 2 3 1 2 , 1 ± - =x ， 231 2, 1 ± - = y ， 3 2 2 1 m = - = x z ．即得两个 驻点A ÷ ÷ ø ö ç ç è æ - + - + - 3 2 , 2 3 1 , 2 3 1 和B ÷ ÷ øöç ç è æ + - - - - 3 2 , 2 3 1 , 2 3 1 ． 而该 问题必有最大值和最小值，因此，点A 和B 就是最大和最小值点．由于d ÷ ÷ ø öç ç è æ - + - + - 3 2 , 2 3 1 , 2 3 1 3 5 9- = ； d ÷ ÷ øöç ç è æ + - - - - 3 2 , 2 3 1 , 2 3 1 3 5 9+ = ． 可见点A 和B 分别是最小和最大值点．即原点到这个椭圆的最长距离为 3 5 9+ ，最短距离为 3 5 9- ．例 19 求椭圆 12 3 2 2 = + y x 的内接等腰三角形，其底边平行于椭圆的长轴，而使面积最大．解 所指内接等腰三角形的一半(如图) 是 ABC D ，设C 的坐标为(,) x y ，则三角(0,2)A yx(0,)B y o(,)C x y形 ABC D 面积为 ) 2 ( y x - 之半，于是所求内接等腰三角形的面积为 ) 2 ( y x - ．问题是求函数 ) 2 ( ) , ( y x y x S - = 在约束条件 12 3 2 2 = + y x 之下的条件极值． 设Lagrange 函数为) 12 3 ( ) 2 ( ) , , ( 2 2 - + + - = y x y x y x L l l ，( 0 > x ， 2 2 < < - y )，则ï î ïí ì = - + = = + -= = + - = (3) . 0 12 3 (2) , 0 6 ) 1 ( , 0 22 2 2 y x L y x L x y L y x ll l 从方程（1）和（2）中消去l ，得 y y x 6 3 2 2 - = ，代入（3） ，得 0 2 2 = - - y y ，解得 231± = y ． 2 = y 时， 0 ) 2 , ( = x S ．因此，得唯一的驻点 ) 1 , 3 ( - ．该问题有最大值，当底边右端点的坐标为 ) 1 , 3 ( - 时，所得内接等腰三角形的面 积最大．。
第九章多元函数微分法及其应用
第九章 多元函数微分法及其应用§8 1 多元函数的基本概念一、平面点集 n 维空间1．平面点集 二元的序实数组(x y)的全体 即 R2 R R {(x y)|x y R}就表示坐标平面 坐标平面上具有某种性质 P 的点的集合 称为平面点集 记作E {(x y)| (x y)具有性质 P} 例如 平面上以原点为中心、r 为半径的圆内所有点的集合是C {(x y)| x2 y2 r2} 如果我们以点 P 表示(x y) 以|OP|表示点 P 到原点 O 的距离 那么集合 C 可表成C {P| |OP| r}邻域 设 P0(x0 y0)是 xOy 平面上的一个点 是某一正数 P (x y)的全体 称为点 P0 的 邻域 记为 U (P0与点 P0(x0 y0)距离小于 的点 即U(P0, ) {P| | PP0 |} 或U(P0, ) {(x, y)| (xx0)2 (y y0)2 }邻域的几何意义 U (P0 )表示 xOy 平面上以点 P0(x0 y0)为中心、 >0 为半径的圆 的内部的点 P (x y)的全体 点 P0 的去心 邻域 记作U (P0, ) 即U(P0, ) {P| 0 | P0P|}注 如果不需要强调邻域的半径邻域记作U (P0)则用 U (P0)表示点 P0 的某个邻域 点 P0 的去心点与点集之间的关系任意一点 P R2 与任意一个点集 E R2 之间必有以下三种关系中的一种(1)内点 如果存在点 P 的某一邻域 U(P) 使得 U(P) E 则称 P 为 E 的内点(2)外点 如果存在点 P 的某个邻域 U(P) 使得 U(P) E则称 P 为 E 的外点(3)边界点 如果点 P 的任一邻域内既有属于 E 的点 也有不属于 E 的点 则称 P 点为 E 的边点E 的边界点的全体 称为 E 的边界 记作 EE 的内点必属于 E E 的外点必定不属于 E 而 E 的边界点可能属于 E 也可能不属于E聚点如果对于任意给定的 0 点 P 的去心邻域U (P, ) 内总有 E 中的点 则称 P 是 E的聚点由聚点的定义可知 点集 E 的聚点 P 本身 可以属于 E 也可能不属于 E 例如 设平面点集E {(x y)|1 x2 y2 2} 满足 1 x2 y2 2 的一切点(x y)都是 E 的内点 满足 x2 y2 1 的一切点(x y)都是 E 的 边界点 它们都不属于 E 满足 x2 y2 2 的一切点(x y)也是 E 的边界点 它们都属于 E 点集 E 以及它的界边 E 上的一切点都是 E 的聚点开集 如果点集 E 的点都是内点 则称 E 为开集 闭集 如果点集的余集 E c 为开集 则称 E 为闭集 开集的例子 E {(x y)|1<x2 y2<2}闭集的例子 E {(x y)|1 x2 y2 2}集合{(x y)|1 x2 y2 2}既非开集 也非闭集连通性 如果点集 E 内任何两点 都可用折线连结起来 且该折线上的点都属于E 则称 E 为连通集区域(或开区域) 连通的开集称为区域或开区域 例如 E {(x y)|1 x2 y2 2}闭区域 开区域连同它的边界一起所构成的点集称为闭区域 例如 E {(xy)|1 x2 y2 2}有界集 对于平面点集 E 如果存在某一正数 r 使得E U(O r)其中 O 是坐标原点 则称 E 为有界点集无界集 一个集合如果不是有界集 就称这集合为无界集例如 集合{(x y)|1 x2 y2 2}是有界闭区域 集合{(x y)| x y 1}是无界开区域集合{(x y)| x y 1}是无界闭区域2 n 维空间设 n 为取定的一个自然数 我们用 Rn 表示 n 元有序数组(x1 x2 体所构成的集合 即xn)的全Rn R R n}R {(x1 x2xn)| xi R i 1 2Rn 中的元素(x1 x2 xn) 当所有的 xi (i 1 2记为 0 或 O 在解析几何中xn)有时也用单个字母 x 来表示 即 x (x1 x2 n)都为零时 称这样的元素为 Rn 中的零元通过直角坐标 R2(或 R3)中的元素分别与平面(或空间)中的点或向量建立一一对应 因而 Rn 中的元素 x (x1 x2xn)也称为 Rn 中的一个点或一个 n 维向量 xi 称为点 x 的第 i 个坐标或 n 维向量 x 的第 i 个分量 特别地 Rn 中的零元 0 称为 Rn 中的坐标原点或 n 维零向量为了在集合 Rn 中的元素之间建立联系 在 Rn 中定义线性运算如下设 x (x1 x2 R 规定xn) y (y1 y2yn)为 Rn 中任意两个元素x y (x1 y1 x2 y2xn yn)x ( x1x2xn)这样定义了线性运算的集合 Rn 称为 n 维空间Rn 中点 x (x1 x2 (x y) 规定xn)和点 y (y1 y2yn)间的距离 记作(x, y) (x1 y1)2 (x2 y2)2 (xn yn)2显然 n 1 2 3 时 上术规定与数轴上、直角坐标系下平面及空间中两点间的距离一 至Rn 中元素 x (x1 x2 R3 中 通常将||x||记作|x|) 即xn)与零元 0 之间的距离 (x 0)记作||x||(在 R1、R2、|| x|| x12 x22 xn2采用这一记号 结合向量的线性运算 便得|| x y|| (x1 y1)2 (x2 y2)2 (xn yn)2 (x, y)在 n 维空间 Rn 中定义了距离以后 就可以定义 Rn 中变元的极限设 x (x1 x2xn) a (a1 a2an) Rn如果||x a|| 0 则称变元 x 在 Rn 中趋于固定元 a显然记作 x ax a x1 a1 x2 a2xn an在 Rn 中线性运算和距离的引入 使得前面讨论过的有关平面点集的一系列概念 可以方便地引入到 n(n 3)维空间中来 例如设 a (a1 a2an) Rn 是某一正数 则 n 维空间内的点集U(a ) {x| x Rn (x a) }就定义为 Rn 中点 a 的 邻域 以邻域为基础 可以定义点集的内点、外点、边界点和聚点 以及开集、闭集、区域等一系列概念二 多元函数概念例１ 圆柱体的体积 V 和它的底半径 r、高 h 之间具有关系 V r2h 这里 当 r、h 在集合{(r h) | r>0 h>0}内取定一对值(r h)时V 对应的值就随之确定 例 2 一定量的理想气体的压强 p、体积 V 和绝对温度 T 之间具有关系其中 R 为常数 这里 对应值就随之确定p RT V当 V、T 在集合{(V T) | V>0T>0}内取定一对值(V T)时 p 的例 3 设 R 是电阻 R1、R2 并联后的总电阻 由电学知道 它们之间具有关系R R1R2 R1 R2这里 当 R1、R2 在集合{( R1 R2) | R1>0 R2>0}内取定一对值( R1 R2)时 R 的对应值就 随之确定 定义 1 设 D 是 R2 的一个非空子集 称映射 f D R 为定义在 D 上的二元函数 通常记为z f(x y) (x y) D (或 z f(P) P D) 其中点集 D 称为该函数的定义域 x y 称为自变量 z 称为因变量上述定义中 与自变量 x、y 的一对值(x y)相对应的因变量 z 的值 也称为 f 在点(x y)处的函数值 记作 f(x y) 即 z f(x y)值域 f(D) {z| z f(x y) (x y) D} 函数的其它符号 z z(x y) z g(x y)等 类似地可定义三元函数 u f(x y z) (x y z) D 以及三元以上的函数 一般地 把定义 1 中的平面点集 D 换成 n 维空间 Rn 内的点集 D 映射 f D R 就称 为定义在 D 上的 n 元函数 通常记为u f(x1 x2 或简记为xn) (x1 x2xn) Du f(x) x (x1 x2 也可记为xn) Du f(P) P(x1 x2xn) D关于函数定义域的约定 在一般地讨论用算式表达的多元函数 u f(x)时 就以使这个算式有意义的变元 x 的值所组成的点集为这个多元函数的自然定义域 因而 对这类函数 它的定义域不再特别标出 例如函数 z ln(x y)的定义域为{(x y)|x y>0}(无界开区域) 函数 z arcsin(x2 y2)的定义域为{(x y)|x2 y2 1}(有界闭区域) 二元函数的图形 点集{(x y z)|z f(x y) (x y) D}称为二元函数 z f(x y)的 图形 二元函数的图形是一张曲面例如 z ax by c 是一张平面 而函数 z=x2+y2 的图形是旋转抛物面三 多元函数的极限与一元函数的极限概念类似 如果在 P(x y) P0(x0 y0)的过程中 对应的函数值 f(x y)无限接近于一个确定的常数 A 则称 A 是函数 f(x y)当(x y) (x0 y0)时的极限定义 2设二元函数 f(P) f(x y)的定义域为 D P0(x0 y0)是 D 的聚点 如果存在常数 A 对于任意给定的正数 总存在正数使得当 P(x, y)DU(P0, ) 时 都有|f(P) A| |f(x y) A| 成立 则称常数 A 为函数 f(x y)当(x y) (x0 y0)时的极限 记为也记作lim f (x, y) A(x, y)(x0, y0)或 f(x y) A ((x y) (x0 y0))lim f (P) APP0或 f(P) A(P P0)上述定义的极限也称为二重极限例 4.设f(x,y)(x2y2)sinx21 y2证 因为lim f (x, y) 0求证 (x, y)(0,0)|f(x,y) 0 || (x2y2)sinx21 y20||x2y2||sinx21 y2|x2y2可见 >0 取 则当 0 (x0)2 (y0)2 即 P(x, y)DU(O, ) 时 总有|f(x y) 0|lim f (x, y) 0因此 (x, y) (0,0) 必须注意 (1)二重极限存在 是指 P 以任何方式趋于 P0 时 函数都无限接近于 A (2)如果当 P 以两种不同方式趋于 P0 时 函数趋于不同的值 则函数的极限不存在 讨论f(x,y) xy x2 y2x2 y2 0函数 0x2 y2 0 在点(0 0)有无极限 提示 当点 P(x y)沿 x 轴趋于点(0 0)时lim f (x, y) lim f (x, 0) lim 0 0(x, y)(0,0)x0x0当点 P(x y)沿 y 轴趋于点(0 0)时lim f (x, y) lim f (0, y) lim 0 0(x, y)(0,0)y0y0当点 P (x y)沿直线 y kx 有lim(x, y)(0,0)xy x2 y2limx0k x2 x2 k2x2k 1 k2ykx因此 函数 f(x y)在(0 0)处无极限极限概念的推广 多元函数的极限 多元函数的极限运算法则 与一元函数的情况类似lim sin(xy) 例 5 求 (x, y)(0,2) x解lim sin(xy) lim sin(xy) y lim sin(xy) lim y(x, y)(0,2) x(x, y)(0,2) xy(x, y)(0,2) xy (x, y)(0,2)122四 多元函数的连续性定义 3 设二元函数 f(P) f (x y)的定义域为 D P0(x0 y0)为 D 的聚点 且 P0 D 如果lim(x, y)(x0, y0)f(x, y) f(x0,y0)则称函数 f (x y)在点 P0(x0 y0)连续 如果函数 f (x y)在 D 的每一点都连续 那么就称函数 f (x y)在 D 上连续 或者称f (x y)是 D 上的连续函数二元函数的连续性概念可相应地推广到 n 元函数 f(P)上去例 6 设 f(x,y) sin x 证明 f(x y)是 R2 上的连续函数证 设 P0(x0 y0) R20 由于 sin x 在 x0 处连续 故0当|x x0| 时 有|sin x sin x0|以上述 作 P0 的 邻域 U(P0 ) 则当 P(x y) U(P0 )时 显然|f(x y) f(x0 y0)| |sin x sin x0|即 f(x y) sin x 在点 P0(x0 y0) 连续 由 P0 的任意性知 sin x 作为 x y 的二元函数在R2 上连续证 对于任意的 P0(x0 y0) R2 因为lim(x, y)(x0, y0)f(x, y) lim sin(x, y)(x0, y0)x sinx0f(x0, y0)所以函数 f(x,y) sin x 在点 P0(x0 y0)连续 由 P0 的任意性知 sin x 作为 x y 的二元函数 在 R2 上连续类似的讨论可知 一元基本初等函数看成二元函数或二元以上的多元函数时 它们在各自的定义域内都是连续的定义 4 设函数 f(x y)的定义域为 D P0(x0 y0)是 D 的聚点 P0(x0 y0)不连续 则称 P0(x0 y0)为函数 f(x y)的间断点例如如果函数 f(xy)在点f(x,y) xy x2 y2x2 y2 0函数 0x2 y2 0其定义域 D R2 O(0 0)是 D 的聚点 f(x y)当(x y) (0 0)时的极限不存在 所以点 O(0 0)是该函数的一个间断点又如函数zsinx21 y21其定义域为 D {(xy)|x2 y2 1}圆周 C {(xy)|x2 y2 1}上的点都是 D 的聚点 而 f(x y)在 C 上没有定义 当然 f(x y)在 C 上各点都不连续 所以圆周 C 上各点都是该函数的间断点注 间断点可能是孤立点也可能是曲线上的点可以证明 多元连续函数的和、差、积仍为连续函数 连续函数的商在分母不为零处仍连续 多元连续函数的复合函数也是连续函数多元初等函数 与一元初等函数类似 多元初等函数是指可用一个式子所表示的多元函数 这个式子是由常数及具有不同自变量的一元基本初等函数经过有限次的四则运算和复合运算而得到的x x2 y2 例如 1 y2sin(x y)ex2 y2 z2 都是多元初等函数一切多元初等函数在其定义区域内是连续的 所谓定义区域是指包含在定义域内的 区域或闭区域由多元连续函数的连续性 如果要求多元连续函数 f(P)在点 P0 处的极限 而该点又 在此函数的定义区域内 则limp p0f(P) f(P0)lim x y例 7 求 (x, y)(1,2) xyf (x, y) x y解 函数xy 是初等函数 它的定义域为D {(x y)|x 0 y 0} P0(1 2)为 D 的内点 故存在 P0 的某一邻域 U(P0) D 是 f(x y)的一个定义区域 因此而任何邻域都是区域lim f (x, y) f (1,2) 3(x, y)(1,2)2所以 U(P0)lim f (P)一般地 求 PP0时 如果 f(P)是初等函数 且 P0 是 f(P)的定义域的内点 则f(P)在点 P0 处连续 于是lim f (P) f (P0)P P0lim例 8 求 (x, y)(0, 0) 解xy 11 xylim xy11 lim ( xy11)( xy11) lim1 1(x,y)(0, 0) xy(x,y)(0, 0) xy( xy11)(x,y)(0, 0) xy 11 2多元连续函数的性质性质 1 (有界性与最大值最小值定理)在有界闭区域 D 上的多元连续函数 必定在 D 上 有界 且能取得它的最大值和最小值性质 1 就是说 若 f(P)在有界闭区域 D 上连续 则必定存在常数 M 0 使得对一 切 P D 有|f(P)| M 且存在 P1、P 2 D 使得f(P1) max{f(P)|P D} f(P2) min{f(P)|P D} 性质 2 (介值定理) 在有界闭区域 D 上的多元连续函数必取得介于最大值和最小值之间 的任何值§8 2 偏导数一、偏导数的定义及其计算法对于二元函数 z f(x y) 如果只有自变量 x 变化 而自变量 y 固定 这时它就是x 的一元函数 这函数对 x 的导数 就称为二元函数 z f(x y)对于 x 的偏导数定义 设函数 z f(x y)在点(x0 y0)的某一邻域内有定义 当 y 固定在 y0 而 x 在 x0 处有增量 x 时 相应地函数有增量如果极限f(x0 x y0) f(x0 y0)lim f (x0 x, y0) f (x0, y0)x0x存在 则称此极限为函数 z f(x y)在点(x0 y0)处对 x 的偏导数 记作例如zxx x0 y y0fxx x0 y y0zx xx0y y0或 fx(x0, y0)类似地fx(x0,y0)limx0f(x0 x,y0) xf(x0,y0)函数 z f(x y)在点(x0 y0)处对 y 的偏导数定义为lim f (x0, y0 y) f (x0, y0)y0y记作zyx x0 y y0fyx x0 y y0zy xx0y y0或 fy(x0 y0)偏导函数 如果函数 z f(x y)在区域 D 内每一点(x y)处对 x 的偏导数都存在 那么这个偏导数就是 x、y 的函数 它就称为函数 z f(x y)对自变量 x 的偏导函数 记作z f x x zx 或 fx(x, y)偏导函数的定义式fx(x,y)limx0f(xx, y) xf(x, y)类似地 可定义函数 z f(x y)对 y 的偏导函数 记为z y偏导函数的定义式f y zy 或 f y(x, y)f y (x,y) limy0f(x,y y) yf(x, y)f 求 x 时 只要把 y 暂时看作常量而对 x 求导数而对 y 求导数 讨论 下列求偏导数的方法是否正确f 求 y 时只要把 x 暂时看作常量fx(x0, y0) fx(x, y) xx0y y0f y(x0, y0) f y(x, y) xx0y y0fx(x0,y0)[d dxf(x, y0)] xx0fy(x0,y0)[d dyf(x0, y)] yy0偏导数的概念还可推广到二元以上的函数 例如三元函数 u f(x y z)在点(xy z)处对 x 的偏导数定义为fx(x,y,z)limx0f(xx, y,z) xf(x, y,z)其中(x y z)是函数 u f(x y z)的定义域的内点分法问题它们的求法也仍旧是一元函数的微例 1 求 z x2 3xy y2 在点(1 2)处的偏导数z 2x3y 解 xz 3x2y y例 2 求 z x2sin 2y 的偏导数z xx1 2132 8y2z 2xsin 2y 解 xz 2x2 cos2y y例 3 设 z xy(x 0, x 1)求证x z 1 z 2z y x ln x yz yxy1 证 xz xy ln xyx z 1 z x yxy1 1 xy ln x xy xy 2zy x ln x y yln xz yx1 y2 3122 7例 4 求 r x2 y2 z2 的偏导数r xx解 x x2 y2 z2 rr yyy x2 y2 z2 r例 5 已知理想气体的状态方程为 pV=RT(R 为常数) p V T 1 求证 V T pp RT 证 因为 Vp VRT V2V RT V R p T pTpV RT V p R所以p VV TT pRT V2R pV RRT pV 1例 5 说明的问题 偏导数的记号是一个整体记号 不能看作分子分母之商二元函数 z f(x y)在点(x0 y0)的偏导数的几何意义 fx(x0 y0) [f(x y0)]x 是截线 z f(x y0)在点 M0 处切线 Tx 对 x 轴的斜率 fy(x0 y0) [f(x0 y)]y 是截线 z f(x0 y)在点 M0 处切线 Ty 对 y 轴的斜率偏导数与连续性 对于多元函数来说 即使各偏导数在某点都存在 函数在该点连续 例如f(x,y) xy x2 y2 0x2 y2 0 x2 y2 0在点(0 0)有 fx(0 0) 0 fy(0 0) 0 但函数在点(0 0)并不连续提示也不能保证f (x, 0) 0 f (0, y) 0fx(0,0)d dx[f(x,0)]0fy (0,0)d[ dyf(0,y)] 0当点 P(x y)沿 x 轴趋于点(0 0)时 有lim f (x, y) lim f (x, 0) lim 0 0(x, y)(0,0)x0x0当点 P(x y)沿直线 y kx 趋于点(0 0)时 有lim(x, y)(0,0)xy x2 y2limx0x2k x2 k2x2k 1 k2ykxlim f (x, y)因此 (x, y)(0,0)不存在 故函数 f(x y)在(0 0)处不连续类似地 可定义函数 z f(x y)对 y 的偏导函数 记为z f y y zy 或 f y(x, y)偏导函数的定义式f y (x,y) limy0f(x,y y) yf(x, y)二 高阶偏导数设函数 z f(x y)在区域 D 内具有偏导数z xfx(x,y)z yfy(x,y)那么在 D 内 fx(x y)、fy(x y)都是 x y 的函数 如果这两个函数的偏导数也存在 则称 它们是函数 z f(x y)的二偏导数 按照对变量求导次序的为同有下列四个二阶偏导数如果函数 z f(x y)在区域 D 内的偏导数 fx(x y)、fy(x y)也具有偏导数则它们的偏导数称为函数 z f(x y)的二阶偏导数 按照对变量求导次序的不同有下列四个二阶偏导数 x(z ) x2z x2fxx(x,y) y( z ) x2z xyfxy(x,y) x(yz )2z yxf yx(x,y) y(z ) y2z y2f yy(x,y)其中 y(z ) x2z xyf xy (x,y) x(z ) y2z yxf yx(x,y)称为混合偏导数 x(z x)2z x2 (z ) 2z y x xy (z ) 2z x y yx y( z y)2z y2同样可得三阶、四阶、以及 n 阶偏导数 二阶及二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数2z 3z 2z 2z 例 6 设 z x3y2 3xy3 xy 1 求 x2 、 x3 、 yx 和 xyz 3x2y2 3y3 y 解 xz 2x3y9xy2 x y2z x26xy23z x36y22z 6x2 y 9y2 1 xy2z 6x2 y 9y2 1yx2z 2z 由例 6 观察到的问题 yx xy2z 2z 定理 如果函数 z f(x y)的两个二阶混合偏导数 yx 及 xy 在区域 D 内连续 那么在该区域内这两个二阶混合偏导数必相等类似地可定义二元以上函数的高阶偏导数例 7 验证函数 z lnx2y2满足方程2z x22z y20z ln x2 y2 1 ln(x2 y2)证 因为2所以z xx2x y2z yx2y y22z x2(x2 y2) x2x (x2 y2)2y2 x2 (x2 y2)22z y2(x2 y2) y2y (x2 y2)2x2 y2 (x2 y2)2因此2z x22z y2x2 y2 (x2 y2)2y2 x2 (x2 y2)20例8．证明函数u1 r满足方程2u x22u y22u z 20其中 r x2 y2 z2证u x1 r2r x1 r2x rx r3 2u x21 r33x r4r x1 r33x2 r5同理 2u y21 r33y2 r5 2u z21 r33z2 r5因此 2u x22u y22u z2(1 r33x2 r5)(1 r33y2 r5)(1 r33z2 r5)3 r33(x2 y2 r5z2)3 r33r 2 r50提示 2u x2 x(x r3)r3x xr6(r3)r3x3r r62r x§8 3 全微分及其应用一、全微分的定义根据一元函数微分学中增量与微分的关系 有偏增量与偏微分f(x x y) f(x y) fx(x y) xf(x x y) f(x y)为函数对 x 的偏增量 f x(x y) x 为函数对 x 的偏微分f(x y y) f(x y) fy(x y) yf(x y y) f(x y)为函数)对 y 的偏增量 f y(x y) y 为函数对 y 的偏微分全增量z f(x x y y) f(x y)计算全增量比较复杂 我们希望用 x、 y 的线性函数来近似代替之定义 如果函数 z f(x y)在点(x y)的全增量z f(x x y y) f(x y)可表示为z AxByo() ( (x)2 (y)2 )其中 A、B 不依赖于 x、 y 而仅与 x、y 有关 则称函数 z f(x y)在点(x而称 A x B y 为函数 z f(x y)在点(x y)的全微分 记作 dz 即dz A x B y如果函数在区域 D 内各点处都可微分 那么称这函数在 D 内可微分可微与连续 可微必连续 但偏导数存在不一定连续这是因为如果 z f(x y)在点(x y)可微 则z f(x x y y) f(x y) A x B y o( ) y)可微分lim z 0于是 0lim f (xx, yy) lim [ f (x, y)z] f (x, y)从而 (x,y)(0,0) 0因此函数 z f(x y)在点(x y)处连续 可微条件定理 1(必要条件)如果函数 z f(x y)在点(x y)可微分 且函数 z f(x y)在点(x y)的全微分为z z 则函数在该点的偏导数 x 、 y 必定存在dzz xx z yy证 设函数 z f(x y)在点 P(x y)可微分 于是 对于点 P 的某个邻域内的任意一点P (x x y y) 有 z A x B y o( ) f (x x y) f(x y) A x o(| x|)上式两边各除以 x 再令 x 0 而取极限 就得特别当 y 0 时有lim f (xx, y) f (x, y) Ax0xzz A从而偏导数 x 存在 且 xzz B同理可证偏导数 y 存在 且 y所以dz z x z y x y简要证明 设函数 z f(x y)在点(x y)可微分 特别当 y 0 时有f (x x y) f(x y) A x o(| x|) 上式两边各除以 x 再令 x 0 而取极限 就得于是有 z A x B y o( )lim f (xx, y) f (x, y) lim [A o(|x|)] Ax0xx0xzz A从而 x 存在 且 xzz Bdz z x z y同理 y 存在 且 y所以 x yz z 偏导数 x 、 y 存在是可微分的必要条件例如 但不是充分条件 xyf(x,y) x2 y2函数 0x2 y2 0 x2 y2 0 在点(00)处虽然有 f x(0 0) 0 及 f y(00) 0 但函数在(0 0)不可微分 即 z [fx(0 0) x fy(0 0) y]不是较 高阶的无穷小这是因为当( x y)沿直线 y x 趋于(0 0)时z [ fx(0, 0)x fy(0, 0)y]x y (x)2 (y)2xx (x)2 (x)21 20定理 2(充分条件)z z 如果函数 z f(x y)的偏导数 x 、 y 在点(x y)连续 则函数在该点可微分定理 1 和定理 2 的结论可推广到三元及三元以上函数按着习惯x、 y 分别记作 dx、dy 并分别称为自变量的微分 则函数 z f(xy)的全微分可写作dzz xdxz ydy二元函数的全微分等于它的两个偏微分之和这件事称为二元函数的微分符合叠加原理叠加原理也适用于二元以上的函数 例如函数 u f (x y z) 的全微分为du u dx u dy u dz x y z例 1 计算函数 z x2y y2 的全微分z 2xy 解 因为 xz x2 2y y所以 dz 2xydx (x2 2y)dy 例 2 计算函数 z exy 在点(2 1)处的全微分z yexy 解 因为 xz xexy yz xx2 y1e2z yx2 y12e2所以dz e2dx 2e2dyu xsin y eyz例 3 计算函数2 的全微分u 1 解 因为 xu 1 cos y zeyz y 2 2u yeyz zdu dx(1 cos y zeyz)dy yeyzdz所以22*二、全微分在近似计算中的应用当二元函数 z f (x y)在点 P (x y)的两个偏导数 f x (x y) | x| | y|都较小时 有近似等式f y (x y)连续 并且z dz f x (x y) x f y (x y) y即f (x x y y) f(x y) f x (x y) x f y (x y) y我们可以利用上述近似等式对二元函数作近似计算例 4 有一圆柱体 受压后发生形变 它的半径由 20cm 增大到 20 05cm 高度由100cu 减少到 99cm 求此圆柱体体积变化的近似值解 设圆柱体的半径、高和体积依次为 r、h 和 V 则有Vr 2h已知 r 20 h 100 r 0 05 h 1 根据近似公式 有V dV Vr r Vh h 2 rh r r2 h2 20 100 0 05202 ( 1)200 (cm3)即此圆柱体在受压后体积约减少了 200 cm3例 5 计算(1 04)2 02 的近似值解 设函数 f (x y) x y 显然 要计算的值就是函数在 x 1 04 y 2 02 时的函数值 f(1 04 2 02)取 x 1 y 2 x 0 04 y 0 02 由于f (x x y y) f(x y) f x(x y) x f y(x y) y x y yxy 1 x x yln x y所以(1 04)2 02 12 2 12 1 0 04 12 ln1 0 02 1 08例 6 利用单摆摆动测定重力加速度 g 的公式是g4 T2l2现测得单摆摆长 l 与振动周期 T 分别为 l=100±、T=2±. 问由于测定 l 与 T 的误差而引起 g 的绝对误差和相对误差各为多少解 如果把测量 l 与 T 所产生的误差当作|Δl|与|ΔT|, 则利用上述计算公式所产生的误差就是二元函数g4 2l T2的全增量的绝对值|Δg|.由于|Δl|可以用 dg 来近似地代替 Δg 这样就得到 g 的误差为|ΔT|都很小因此我们|g||dg|| g l g T | l T|g l|l|g T|T42(T12l2l T3T)其中 l 与 T 为 l 与 T 的绝对误差 把 l=100 T=2, 为l=, δT=代入上式得 g 的绝对误差约g 4 2(02.21 2213000.004) 0.5 2 4.93(cm/ s2) .g g0.5 2 4 21000.50 022从上面的例子可以看到 对于一般的二元函数 z=f(x, y), 如果自变量 x 、y 的绝对误差分别为 x、 y, 即|Δx | x, |Δy | y,则 z 的误差|z||dz|| z x z y| x y|z x||x||z y||y||z x|x|z y|y从而得到 z 的绝对误差约为z|z x|x|z y|yz 的相对误差约为z zz | z|x zxy zy§8 4 多元复合函数的求导法则设 z f(u v) 而 u(t) vdz (t) 如何求 dt设 z f(u v) 而 u(x y) vz z (x y) 如何求 x 和 y1 复合函数的中间变量均为一元函数的情形定理 1 如果函数 u (t)及 v (t)都在点 t 可导 函数 z f(u v)在对应点(u v)具有连续偏导数 则复合函数 z f[ (t) (t)]在点 t 可导 且有dz z du z dv dt u dt v dt简要证明 1 因为 z f(u v)具有连续的偏导数 所以它是可微的 即有dz z du z dv u v又因为 u (t)及 v (t)都可导 因而可微 即有du du dt dv dv dtdtdt代入上式得dz z u du dtdt z v dv dtdt (uz du dtz vdv)dt dtdz z du z dv 从而 dt u dt v dt简要证明 2 当 t 取得增量 t 时 u、v 及 z 相应地也取得增量 u、 v 及 z 由 z f(u v)、u (t)及 v (t)的可微性 有z z u z vo() z [du t o(t)] z [dv t o(t)]o()u vu dtv dt(z du z dv)t (z z)o(t)o() u dt v dt u vz z du z dv (z z) o(t) o() t u dt v dt u v t t令 t 0 上式两边取极限 即得dz z du z dv dt u dt v dtlim o() lim o() (u)2 (v)2 0(du)2 (dv)2 0注 t0 t t0 tdt dt推广 设 z f (u v w) u (t) v (t) w (t) 则 z f[ (t) (t) (t)] 对 t 的导数为dz z du z dv z dw dt u dt v dt w dtdz 上述 dt 称为全导数2 复合函数的中间变量均为多元函数的情形 定理 2 如果函数 u (x y) v (x y)都在点(x y)具有对 x 及 y 的偏导数 函 数 z f(u v)在对应点(u v)具有连续偏导数 则复合函数 z f [ (x y) (x y)]在点 (x y)的两个偏导数存在 且有z xz uu xz vv xz z u z v y u y v y推广 设 z f(u v w ) u (x y) v (x y) w (x y) 则z z u z v z w x u x v x w xz z u z v z w y u y v y w y讨论(1)设 z f(u v) u(x y) v(y)则z xz yz z u 提示 x u xz z u z dv y u y v dy(2)设 z f(u x y) 且 u(x y)则z xz yz f u f 提示 x u x xz f u f y u y yz fz这里 x 与 x 是不同的 x 是把复合函数 z f[ (x y) x y]中的 y 看作不变而对 x的偏导数 似的区别f x 是把 f(u x y)中的 u 及 y 看作不变而 对 x 的偏导数z f y 与 y 也有类3．复合函数的中间变量既有一元函数 又有多元函数的情形 定理 3 如果函数 u (x y)在点(x y)具有对 x 及对 y 的偏导数 函数 v y 可导 函数 z f(u v)在对应点(u v)具有连续偏导数 则复合函数 z f[ (y)]在点(x y)的两个偏导数存在 且有(y)在点 (x y)z z u x u xz z u z dv y u y v dy例 1 设 z eusin v u xy v x yz z u z v 解 x u x v xeusin v y eucos v 1 ex y[y sin(x y) cos(x y)]z z u z v y u y v yz z 求 x 和 yeusin v x eucos v 1 exy[x sin(x y) cos(x y)]例 2 设 u f (x, y, z) ex2 y2z2 而 z x2 sin y u f f z解 x x z x 2xex2 y2 z2 2zex2 y2 z2 2xsin y 2x (1 2x2 sin2 y)ex2 y2 x4 sin2 yu u 求 x 和 yu f f z y y z y 2yex2 y2 z2 2zex2 y2 z2 x2 cos y 2( y x4 sin y cos y)ex2 y2 x4 sin2 ydz 例 3 设 z uv sin t 而 u et v cos t 求全导数 dtdz z du z dv z 解 dt u dt v dt tv et u ( sin t) cos t etcos t e tsin t cos t et(cos t sin t) cos t例 4 设 w f(x y z xyz) f 具有二阶连续偏导数 解 令 u x y z v xyz 则 w f(u v)w 2w 求 x 及 xz引入记号f1f(u, uv)f12f (u,v) uv同理有 f2 f11 f22 等w xf uu xf vv xf1yzf22w xz z(f1yzf2)f1 zyf2yzf2 z f11 xyf12 yf2 yzf21 xy2zf22 f11 y(x z) f12 yf2 xy2zf22注f1 zf1 uu zf1 vv zf11 xyf12例 5 设 u f(x y)的所有二阶偏导数连续f2 zf2 uu zf2 vv zf21 xyf22把下列表达式转换成极坐标系中的形式(u)2 (u)2 (1) x y(2) 2u x22u y2解 由直角坐标与极坐标间的关系式得u f(x y) f( cosθ sinθ) F( θ)其中 xcosθ ysinθ x2 y2 arctan y x应用复合函数求导法则 得u xu xu xu x u y 2u cosu ysin u yu yu yu y u x 2u sinu cos 两式平方后相加 得(u x)2(uy)2(u)21 2(u)2再求二阶偏导数 得2u x2 (u x) x ( u ) x x (ucosu sin )cos (ucosu sin )sin 2u 2cos222u sin cos 2u 2sin 2 2u 2sin cos 2u sin2 同理可得2u y22u 2sin22 2u sin cos 2u 2cos 22u 2sin cos 2u cos2 两式相加 得2u x22u y22u 21 1 22u 21 2[ (u )2u 2]全微分形式不变性 设 z f(u v)具有连续偏导数 则有全微分dz z du z dv u v如果 z f(u v)具有连续偏导数 而 u (x y) v (x y)也具有连续偏导数 则dzz xdxz ydy(z u z v)dx(z u z v)dy u x v x u y v yz (u dx u dy) z (v dx v dy) u x y v x yz uduz vdv由此可见 无论 z 是自变量 u、v 的函数或中间变量 u、v 的函数 它的全微分形式是一 样的 这个性质叫做全微分形式不变性例 6 设 z e usin v u x y v x y 利用全微分形式不变性求全微分dz z du z dv解u ve usin vdu e ucos v dve usin v(y dx x dy ) e ucos v(dx dy)( ye usin v e ucos v)dx (xe usin v e ucos v )dye xy [y sin(x y) cos(x y)]dx e xy [x sin(x y)cos(xy)]dy§8 5 隐函数的求导法则一、一个方程的情形隐函数存在定理 1设函数 F(x y)在点 P(x0 y0)的某一邻域内具有连续偏导数 F(x0 y0) 0 Fy(x0 y0) 0 则方程 F(x y) 0 在点(x0 y0)的某一邻域内恒能唯一确定一个连续且具有连续导 数的函数 y f(x) 它满足条件 y0 f(x0) 并有求导公式证明将 y f(x)代入 F(xdy Fxdx Fyy) 0 得恒等式F(x f(x)) 0等式两边对 x 求导得F F dy 0 x y dx由于 F y 连续 且 Fy(x0 y0) 0 所以存在(x0 y0)的一个邻域 在这个邻域同 Fy 0 于是得dy Fx dx Fy例 1 验证方程 x2 y2 1 0 在点(0 1)的某一邻域内能唯一确定一个有连续导数、当 x 0 时 y 1 的隐函数 y f(x) 并求这函数的一阶与二阶导数在 x 0 的值解 设 F(x y) x2 y2 1 则 Fx 2x Fy 2y F(0 1) 0 Fy(0 1) 2 0 因 此由定理 1 可知 方程 x2 y2 1 0 在点(0 1)的某一邻域内能唯一确定一个有连续导数、 当 x 0 时 y 1 的隐函数 y f(x)dy Fx x dx Fy ydy 0 dx x0d2y dx2y xy y2yx( y2x) yy2 x2 y31 y3d 2y dx2x01隐函数存在定理还可以推广到多元函数 一个二元方程 F(x y) 0 可以确定一个一元 隐函数 一个三元方程 F(x y z) 0 可以确定一个二元隐函数隐函数存在定理 2 设函数 F(x y z)在点 P(x0 y0 z0)的某一邻域内具有连续的偏导数 且 F(x0 y0 z0) 0 Fz(x0 y0 z0) 0 则方程 F(x y z) 0 在点(x0 y0 z0)的某一邻域内恒能唯 一确定一个连续且具有连续偏导数的函数 z f(x y) 它满足条件 z0 f(x0 y0) 并有z Fx x Fz公式的证明 将 z f(x y)代入 F(x y z) 将上式两端分别对 x 和 y 求导 得z Fy y Fz0 得 F(x y f(xy)) 0FxFzz x0FyFzz y0因为 F z 连续且 F z(x0 y0 z0) 0 所以存在点(x0 y0 z0)的一个邻域得使Fz 0于是z Fx x Fzz Fy y Fz2z 例 2. 设 x2 y2 z2 4z 0 求 x2解 设 F(x y z) x2 y2 z2 4zz Fx 2x x x Fz 2z 4 2 z则 Fx 2xFy 2z 42z x2(2 x) x (2 z)2z x(2x) x( 2(2 z)2x z)(2 x)2 x2 (2 z)3二、方程组的情形在一定条件下 由个方程组 F(x y u v) 0 G(x y u v) 0 可以确定一对二 元函数 u u(x y) v v(x y) 例如方程 xu yv 0 和 yu xv 1 可以确定两个二元函数ux2y y2vx2x y2事实上xu yv 0v xu yyu x x u 1 yux2y y2vx yx2y y2x2x y2如何根据原方程组求u v 的偏导数 隐函数存在定理3 隐函数存在定理3设F (x y u v )、G (x y u v )在点P (x 0 y 0 u 0 v 0)的某一邻域内具有对各个变量的连续偏导数 又F (x 0 y 0 u 0 v 0)0 G (x 0 y 0 u 0 v 0)0 且偏导数所组成的函数行列式v G u Gv Fu Fv u G F J ∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂=),(),(在点P (x 0 y 0 u 0 v 0)不等于零 则方程组F (x y u v )0 G (x y u v )0在点P (x 0 y 0 u 0 v 0)的某一邻域内恒能唯一确定一组连续且具有连续偏导数的函数u u (xy )v v (x y ) 它们满足条件u 0u (x 0 y 0) v 0v (x 0 y 0) 并有v uv uv x v xG G F F G G F F v x G F J x u -=∂∂-=∂∂),(),(1vuv ux u x uG G F F G G F F x u G F J x v -=∂∂-=∂∂),(),(1vu vu vy v y G G F F G G F F v y G F J y u -=∂∂-=∂∂),(),(1vu vu yu y u G G F F G G F F y u G F J y v -=∂∂-=∂∂),(),(1隐函数的偏导数:设方程组F (x y u v )0 G (x y u v )0确定一对具有连续偏导数的 二元函数u u (x y ) v v (x y )则偏导数xu∂∂ x v ∂∂由方程组⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂+∂∂+=∂∂+∂∂+.0,0x v G x u G G x v F x u F F v u x v u x 确定偏导数yu∂∂ y v ∂∂由方程组⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂+∂∂+=∂∂+∂∂+.0,0y v G y u G G y v F y u F F v u y v u y 确定例3 设xu yv 0 yu xv 1 求xu∂∂ x v∂∂ y u ∂∂和y v ∂∂ 解 两个方程两边分别对x 求偏导 得关于x u ∂∂和x v∂∂的方程组⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂++∂∂=∂∂-∂∂+00x v x v xu y x v y x u x u当x 2y 2 0时 解之得22y x yvxu xu ++-=∂∂ 22y x xvyu x v +-=∂∂两个方程两边分别对x 求偏导 得关于y u ∂∂和y v∂∂的方程组⎪⎩⎪⎨⎧=∂∂+∂∂+=∂∂--∂∂00y v x y u y u y v y v y u x当x 2y 2 0时 解之得22y x yuxv y u +-=∂∂ 22y x yvxu yv ++-=∂∂另解 将两个方程的两边微分得⎩⎨⎧=+++=--+00xdv vdx ydu udy ydv vdy xdu udx 即⎩⎨⎧--=+-=-vdx udy xdv ydu udx vdy ydv xdu解之得dy y x yuxv dx y x yv xu du 2222+-+++-=dy yx yvxu dx y x xv yu dv 2222++-+-=于是 22y x yv xu xu ++-=∂∂ 22y x yuxv y u +-=∂∂22yx xvyu x v +-=∂∂ 22y x yvxu yv ++-=∂∂例 设函数x x (u v ) y y (u v )在点(u v )的某一领域内连续且有连续偏导数 又0),(),(≠∂∂v u y x(1)证明方程组⎩⎨⎧==),(),(v u y y v u x x在点(x y u v )的某一领域内唯一确定一组单值连续且有连续偏导数的反函数u u (x y ) v v (x y )(2)求反函数u u (x y ) v v (x y )对x y 的偏导数解 (1)将方程组改写成下面的形式⎩⎨⎧=-≡=-≡0),(),,,(0),(),,,(v u y y v u y x G v u x x v u y x F则按假设.0),(),(),(),(≠∂∂=∂∂=v u y x v u G F J由隐函数存在定理3 即得所要证的结论(2)将方程组(7)所确定的反函数u u (x y )v v (x y )代入(7) 即得⎩⎨⎧≡≡)],(),,([)],(),,([y x v y x u y y y x v y x u x x将上述恒等式两边分别对x 求偏导数得⎪⎩⎪⎨⎧∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=∂∂⋅∂∂+∂∂⋅∂∂=xv v y x u u y x v v x x u u x 01由于J 0 故可解得vyJ x u ∂∂=∂∂1 u yJ x v ∂∂-=∂∂1同理 可得v xJ yu ∂∂-=∂∂1 ux J y v ∂∂=∂∂1§8 6多元函数微分学的几何应用一空间曲线的切线与法平面设空间曲线的参数方程为 x(t )y(t ) z(t )这里假定(t ) (t ) (t )都在[ ]上可导在曲线上取对应于t t 0的一点M 0(x 0 y 0 z 0)及对应于t t 0t 的邻近一点M (x 0+x y 0+y z 0+z )作曲线的割线MM 0 其方程为z z z y y y x x x ∆-=∆-=∆-000当点M 沿着趋于点M 0时割线MM 0的极限位置就是曲线在点M 0处的切线 考虑t zz z t y y y tx x x ∆∆-=∆∆-=∆∆-000当M M 0即t 0时 得曲线在点M 0处的切线方程为)()()(000000t z z t y y t x x ωψϕ'-='-='-曲线的切向量 切线的方向向量称为曲线的切向量 向量 T ((t 0) (t 0) (t 0))就是曲线在点M 0处的一个切向量法平面 通过点M 0而与切线垂直的平面称为曲线在点M 0 处的法平面 其法平面方程为 (t 0)(x x 0)(t 0)(y y 0)(t 0)(z z 0)0例1 求曲线x t y t 2 z t 3在点(1 1 1)处的切线及法平面方程解 因为x t 1 y t2t z t3t 2 而点(111)所对应的参数t 1所以T (1 2 3) 于是 切线方程为312111-=-=-z y x法平面方程为(x 1)2(y 1)3(z 1)0 即x 2y 3z 6讨论1 若曲线的方程为 y (x ) z (x ) 问其切线和法平面方程是什么形式 提示 曲线方程可看作参数方程 x x y(x ) z(x ) 切向量为T (1 (x ) (x ))2 若曲线的方程为F (x y z )0G (x y z )0 问其切线和法平面方程又是什么形式提示 两方程确定了两个隐函数 y (x ) z(x ) 曲线的参数方程为x x y (x ) z (x )由方程组⎪⎩⎪⎨⎧=++=++0dx dz G dx dy G G dx dz F dx dy F F z y x z y x 可解得dx dy 和dx dz切向量为) ,,1(dxdz dx dy =T例2 求曲线x 2y 2z 26x y z 0在点(12 1)处的切线及法平面方程解 为求切向量 将所给方程的两边对x 求导数 得⎪⎩⎪⎨⎧=++=++010222dxdz dx dydx dz z dx dy y x解方程组得z y x z dx dy --= zy yx dx dz --=在点(1 2 1)处0=dx dy 1-=dx dz从而T (1 0 1)所求切线方程为110211--=+=-z y x法平面方程为(x 1)0(y 2)(z 1)0 即x z 0 解 为求切向量 将所给方程的两边对x 求导数 得⎪⎩⎪⎨⎧=++=++010222dxdz dx dydx dz z dx dy y x方程组在点(12 1)处化为⎪⎩⎪⎨⎧-=+=-112dxdz dx dydx dz dx dy解方程组得0=dx dy 1-=dx dz从而T (1 0 1)所求切线方程为110211--=+=-z y x法平面方程为(x 1)0(y 2)(z 1)0 即x z 0二曲面的切平面与法线设曲面的方程为F (x y z )0M 0(x 0 y 0 z 0)是曲面上的一点 并设函数F (x y z )的偏导数在该点连续且不同时为零 在曲面上 通过点M 0任意引一条曲线 假定曲线的参数方程式为 x (t ) y (t ) z (t ) t t 0对应于点M 0(x 0 y 0 z 0) 且(t 0) (t 0) (t 0)不全为零 曲线在点的切向量为T ((t 0) (t 0) (t 0)) 考虑曲面方程F (x y z )0两端在t t 0的全导数 F x (x 0 y 0z 0)(t 0)F y (x 0y 0z 0)(t 0)F z (x 0y 0z 0)(t 0)0 引入向量n (F x (x 0 y 0 z 0) F y (x 0 y 0 z 0) F z (x 0 y 0 z 0))易见T 与n 是垂直的 因为曲线是曲面上通过点M 0的任意一条曲线 它们在点M 0的切线都与同一向量n 垂直 所以曲面上通过点M 0的一切曲线在点M 0的切线都在同一个平面上 这个平面称为曲面在点M 0的切平面 这切平面的方程式是。
第8章多元函数微分法及其应用
在讨论实际问题中也常使用方邻域, 因为方邻域与圆 邻域可以互相包含.
。P0
平面上的方邻域为
U(P0,δ ) (x, y)
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2. 区域
(1) 内点、外点、边界点
E
设有点集 E 及一点 P :
• 若存在点 P 的某邻域 U(P) E ,
则称 P 为 E 的内点；
• 若存在点 P 的某邻域 U(P)∩ E = ,
则称 P 为 E 的外点;
• 若对点 P 的任一邻域 U(P) 既含 E中的内点也含 E
的外点 , 则称 P 为 E 的边界点.
显然, E 的内点必属于 E , E 的外点必不属于 E , E 的
边界点可能属于 E, 也可能不属于 E .
整个平面 是最大的开域 , 也是最大的闭域；
点集 (x, y) x 1是开集，
但非区域 .
y
1o 1 x
• 对区域 D , 若存在正数 K , 使一切点 PD 与某定点 A 的距离 AP K , 则称 D 为有界域 , 否则称为无 界域 .
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3. n 维空间
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(2) 聚点
若对任意给定的 , 点P 的去心
E
邻域
内总有E 中的点 , 则
称 P 是 E 的聚点.
聚点可以属于 E , 也可以不属于 E (因为聚点可以为
E 的边界点 )
所有聚点所成的点集成为 E 的导集 .
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多元函数微分学的应用
多元函数微分学的应用一、多元函数微分学在物理学中的应用多元函数微分学在物理学中有重要的应用，可以用于描述和分析物体的运动和力学性质。
例如，当我们研究一个物体在空气中自由落体的过程时，可以通过建立物体的位置、速度和加速度之间的多元函数关系来描述物体的运动规律。
通过对这个多元函数进行微分，我们可以计算出物体的速度和加速度，并进一步研究物体的运动轨迹和运动的特性。
二、多元函数微分学在工程技术中的应用工程技术领域广泛应用多元函数微分学，其中一个重要的应用是工程优化。
通过建立多元函数模型，可以描述工程系统的性能与各种因素之间的关系，例如工程结构的刚度、强度和稳定性与材料、尺寸和几何形状等因素之间的关系。
通过对这些多元函数进行微分，可以找到使性能最优化的设计变量组合，从而优化工程系统的设计。
三、多元函数微分学在经济管理中的应用多元函数微分学在经济管理中也有广泛的应用，可以用于分析和优化经济系统的运行和决策问题。
例如，在经济学中，我们可以建立多元函数模型来描述生产函数、成本函数和效用函数等与经济生产和消费相关的关系。
通过对这些多元函数进行微分，可以分析生产效率、最小化成本和最大化效用的最优决策策略，从而实现经济系统的优化和管理。
四、多元函数微分学在生物学中的应用多元函数微分学也被广泛应用于生物学领域，可以用于描述和分析生物系统中的各种生物过程和生物现象。
例如，在生态学中，我们可以建立多元函数模型来描述种群数量与环境因素之间的关系。
通过对这些多元函数进行微分，可以研究种群的增长速率、极限状态和稳定性等生态学性质，从而深入理解和预测生态系统的动态演化。
总之，多元函数微分学具有广泛的应用领域，可以用于自然科学、工程技术和经济管理等各个领域中的建模、优化和解决实际问题。
通过对多元函数的微分，我们可以深入理解各种系统和过程的特性和规律，从而实现对这些系统和过程的优化和控制。
多元函数微分学的几何应用.ppt
(x1)2(y1)3(z1)0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 即x2y3z6
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曲线x(t), y(t), z(t)在tt0所对应的点M0的切向量 为T((t0), (t0), (t0))
讨论:
1 若曲线的方程为y(x), z(x), 则切向量T?
2 若曲线的方程为F(x, y, z)0, G(x, y, z)0, 则切向量T? 提示:
(t0)(xx0)(t0)(yy0)(t0)(zz0)0
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曲线x(t), y(t), z(t)在tt0所对应的点M0的切向量 为T((t0), (t0), (t0))
例1 求曲线xt, yt2, zt3在点(1, 1, 1)处的切线及法平面 方程
解 点(1, 1, 1)所对应的参数t1 因为 xt1, yt2t, zt3t2, 所以切向量为T(1, 2, 3) 于是, 切线方程为
2dyddyxdzddxz11 dx dx
(x1)0(y2)(z1)0, 即 xz0
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二、曲面的切平面与法线
设M0(x0, y0, z0)是曲面: F(x, y, z)0上的一点, 是曲面 上过点M0的任意一条曲线, 其参数方程为
x(t), y(t), z(t),
tt0对应于点M0(x0, y0, z0) 因为曲线在曲面上, 所以有
F[(t),(t),(t)]0
等式的两边在tt0点求全导数得
Fx(x0, y0, z0)(t0)Fy(x0, y0, z0)(t0)Fz(x0, y0, z0)(t0)0
多元函数微分学及应用
2x3x 2 fdx x 3 h (xdy ydxxdy ydx习题课：多元函数求偏导，多元函数微分的应用多元复合函数、隐函数的求导法？(1)多元复合函数设二兀函数z f(u,v)在点(u o ,v o )处偏导数连续，二元函数 u u(x, y), v v(x, y)在点 (x o , y o )处偏导数连续，并且u o u(x o , y o ),v o v(x o ,y o ),则复合函数 z f (u(x, y), v(x, y))在点(x o ,y o )处可微，且dz — dx —z dyx y计算—f u f v zu f v 代人，xu x v xyu y v yzz f uf v fu f v dzdx dydxdyxy u x v xuyv yf u . uf v , v ,dx dydx dyu x yvxydu dv u v例 1 设 z x 3f xy,—，求一^,二。
x x y解：dz f 3x 2dx x 3df 3x 2 fdx x 3 f |d(xy) f 2 d — xf u o ,v ou x o , y of u o ,v ov x o ,y o(x o ,y o )uxvxf u o , v ou x o , y of u o ,v ov X o , y o(x o ,y o )uy vyz xz y多元函数微分形式的不变性:则将z 看成x, y 的函数，有f (u,v),u u(x, y), v v(x, y)，均为连续可微,我们将 dz — dx — dyx y—du ~~ dv 叫做微分形式不变性。
u v例3已知函数y f (x)由方程ax by f x 2 y 2 , a,b 是常数，求导函数。
解：方程ax by f x 2 y 2 两边对x 求导，a b 业 f (x 2 y 2) 2x 2y 业dxdxdy 2xf (x 2 y 2) a dx b 2yf (x 2 y 2)两端分别关于x i 求偏导数得到，并解f, 可得到公式：一yF x x,y F y x, yX iXi例4设函数x x(z), y y(z)由方程组2 2 2 …x y z 12 o 2 2 dx 2y z 1 0确定，求0确定，求导之函数？ y(x 1 ,...,x n ),对于方程F(X 1,...,X n ,y(X 1,...,X n ))3x 2fx 3yf i xyf 2 dx x 4 f 1 x 2f 2 dy由微分形式不变性,dz — dx x—dy y 3x f xyf ixyf 2 dx x 4 f 1 x 2 f 2 dy3x 2fx 3yf ixyf 2x 4 f 1 x 2 f 2例2已知y，求亠dydx解考虑二元函数y1 ,vx 应用推论得dy dxdu u dxy dv .vuv dx(In u)u v $ x1x(1 In x).⑵隐函数 若函数 x ,由方程 按隐函数定义有恒等式:F x, y x 0 x, y A F dx0确定, x, y x求导之函数?F x x, yF y x, y x y xF x x,y x oF y x, y x从这是可见：函数y x 可导有一个必要条件是,F y x,y 0.般来说，若函数y y x ,由方程F x, y将y 看作是x 1,...,x n 的函数y y xdx dy dz ，dzdz dz 2 2 2 ,2x2y — 2z解xyz 1dx dy 解方程得：2小2x 2yz 212x dz —4y dz 2zdxdydxdz = 1 4y 2y 2z 1 12yzdy 4xy2x 2x2z4xy8xzdz由此得到dX 3z, dy 2zdz x ' dz yu,v 是由方程uv 1 0 u （x, y）的x, y 的隐函数，在这两个等式两端分别关于0 cosv 」usinv y 1 sinv —u ucosv yx, y 求偏导数，得_v y v yv(x, y)cosv 』 xsinv 』 x usinv — x ucosv 」x得到u vsin uuv cosv得到ycosv,sin v,xxuy xu将这个结果代入前面的式子，得到z u vv uvcosv sin vx xxz u v与v u -vsin v cosvyyyu f (x, y, z,t)⑶ 隐函数函数u u(x,y)由方程 g(y, z,t) 0 确定，求一9x h(z,t) 0变量）？ 3 （ 方程）=2（自变量）; ）,二中（z, t ）解这个问题涉及到复合函数微分法与隐函数微分法x, y 是自变量，u,v 是中间变量（u,v 是x, y 的函数）,先由z uv 得到zzuzv u vv u x u x v x x x zzuz v u vv uy u yv y y y例5已知函数z z x, y 由参数方程：x u cosvy usinv ,给定，试求—. x y zuv解：函数关系分析：5 （ 一函（u ）,二自（x, yz , ,i h 上 g g t 0y ©h)t 丨（乙t ）| h yz z 二阶偏导数：一阶导函数的偏导数 f f zf tyz yt yf hf hg u ft zz tyyyg h ghz t tzu f u =5exxy例6 z 2 z(x, y)由 x 2y 2 2 z a 决定，求解: 2x 2^z 0 2y 2zZ oxy x y2zzx z _y xJz yz 2z yz xy23x yzxzx f x,2x ,x，其中函数的二阶偏导数连续，求d 2g x dx 2X\ f(xy,—) y xf lff f5f25yf2fu f2fvf 2ff2fM1222212J121uvu vv u,f 二阶连续可微，求 xy, v2 2 -2xzf u f v1 £y f 1f xuxvxy2zzf 11 f2 2yxx xxyxu,v 为中间变量,都是以r 1 F F f11 「2u因为 v以x,y 为自变量的函数，所以将以上两式代入前式得 f 1uv1fnf 12y fn f 12xxxy f 2uv1七f21f22y f 21—怯xxxy2z 2 fo f1 f2 y T 11122 T22 .xy例9设z z(x, y)二阶连续可微，并且满足方程例10 设u(x, y)2C2,又ux2u 220, u(x,2x) x, u x(x,2x) x ,求yU xx(x,2x), U xy(x,2x) U yy(X,2X)解：u / c \(x,2x) x2 x ,两边对x求导,2z 2z2B -------x y2z若令U X y,试确定v x y 为何值时能变原方程为2z0.u,v看成中间变量，利用链式法则得z z u z vx u x v xz z u z vy u y v y2z z z 2 z2 x x u v 2 u2z z z2 2z2y y u v 2 u2z z zx y x u vz z——zu v u vz z——zu v u v2 2 2z z2- 2 —zu v v u v2 2z 2 z2 2u v v u2 2 2z z z2 2u u v v2B —z v2z _ ~~2= yA 2B 2B2 z~~2 vA 2B0.问题成为方程 A 2Bt Ct20有两不同实根，即要求令 B ■ B2AC, B B2AC ,即可。
多元函数微分学—全微分及其运用(高等数学课件)
典 型 例 题 讲 解
例2 求函数 z ( x y )e xy 在点（1，2）处的全微分.
z
解： e xy y ( x y )e xy (1 xy y 2 )e xy，
x
z
例2
e xy 求函数计算函数，在点（1，2）处的全微分。
x( x y )e xy (1 xy x 2 )e xy，
用公式(1):
z dz f x( x0 , y0 )x f y ( x0 , y0 )y
二、典型例题讲解
例1 有一金属制成的圆柱体，受热后发生形变，它的半径由20 cm 增大到
20.05 cm ，高由50 cm 增加到50.09cm，求此圆柱体体积变化的近似值.
解: 设圆柱体的半径、高和体积分别为 、ℎ 和, 它们的增量分别记为
多元函数的微分学
多元函数的全微分
知识点讲解
1.全微分的定义
2.可微、连续、可偏导之间的关系
3.全微分的求法
全微分的定义
1.全改变量
设函数 z f ( x, y ) 在点 P0 ( x0 , y0 ) 的某个邻域内有定义,自变量、在0 、0
的改变量分别为 x, y ，全增量:
z f ( x0 x, y0 y ) f ( x0 , y0 )
x
y
z
由公式知：求全微分的步骤如下：
1.求偏导数；
2.套公式得全微分.
f ( x, y )
典 型 例 题 讲 解
例1 求函数 z x 2 y xy 2 的全微分.
解:
z
z
2 xy y 2 , x 2 2 xy
x
y
dz (2 xy y 2 )dx ( x 2 2 xy)dy.
第8章 多元函数及其应用(最新)
第8章 多元函数微分学及其应用上册中我们所讨论的函数都只有一个自变量，这种函数称为一元函数．而在实际问题中，还会遇到多于一个自变量的函数，这就是本章将要讨论的多元函数．多元函数是一元函数的推广．它的一些基本概念及研究问题的思想方法与一元函数有许多类似之处，但是由于自变量个数的增加，它与一元函数又存在着某些区别，这些区别之处在学习中要加以注意．对于多元函数，我们将着重讨论二元函数．在掌握了二元函数的有关理论与研究方法之后，我们可以把它推广到一般的多元函数中去．§1 多元函数的极限与连续一、平面点集与n 维空间一元函数的定义域是实数轴上的点集，而二元函数的定义域是坐标平面上的点集．因此，在讨论二元函数之前，有必要先了解有关平面点集的一些基本概念．1． 平面点集由平面解析几何知道，当在平面上确定了一个直角坐标系后，平面上的点P 与有序实数组(,)x y 之间就建立了一一对应．于是，我们常把有序实数组(,)x y 与平面上的点P 看作是等同的．这种建立了坐标系的平面称为坐标平面．二元有序实数组(,)x y 的全体，即2{(,),}R x y x y R =∈就表示坐标平面． 坐标平面上满足某种条件C 的点的集合，称为平面点集，记作{(,)(,)E x y x y =满足条件}C ．例如，平面上以原点为中心，r 为半径的圆内所有点的集合是222{(,)}E x y x y r =+<．现在，我们引入平面中邻域的概念．设000(,)P x y 是平面上一点，δ是一正数．与点000(,)P x y 距离小于δ的点(,)P x y 的全体，称为点0P 的δ邻域，记为0(,)U P δ或0()U P ，即00(,){ }{(,}U P P P P x y δδδ=<=<． 不包含点0P 在内的邻域称为点0P 的去心δ邻域，记为0(,)U P δ 或0()U P ，即00(,){ 0<}{(,)0}U P P P P x y δδδ=<=<< ．在几何上，邻域0(,)U P δ就是平面上以点000(,)Px y 为中心，δ为半径的圆的内部的点(,)P x y 的全体．下面利用邻域来描述点和点集之间的关系．任意一点2P R ∈与任意一个点集2E R ⊂之间必有以下三种关系之一：（1）内点：若存在点P 的某个邻域()U P ，使得()U P E ⊂，则称点P 是点集E 的内点（见图8-1）．（2）外点：如果存在点P 的某个邻域()U P ，使得()U P E =∅ ，则称点P 是点集E 的外点（见图8-2）．（3）边界点：如果在点P 的任何邻域内既含有属于E 的点，又含有不属于E 的点，则称点P 是点集E 的边界点（见图8-3）．E 的边界点的全体称为E 的边界,记作E ∂．E 的内点必定属于E ；E 的外点必定不属于E ；E 的界点可能属于E ，也可能不属于E ．点和点集还有另外一种关系，这就是下面定义的聚点．聚点：若点P 的任何空心邻域0()U P 内总有E 中的点，则称P 为点集E 的聚点．聚点本身可能属于E 也可能不属于E ．显然，E 的内点一定是E 的聚点，E 的外点一定不是E 的聚点．例如，点集22{(,)14}D x y x y =≤+<，满足2214x y <+<的一切点是D 的内点；满足221x y +=的一切点是D 的边界点，它们都属于D ；满足224x y +=的点也是D 的边界点，但它们不属于D ；点集D 连同它的外圆边界上的点都是D 的聚点．根据点集的特征，我们再来定义一些重要的平面点集．开集：如果点集E 的点都是E 的内点，则称E 为开集．闭集：如果点集E 的所有聚点都属于E ，则称E 为闭集．例如，集合22{(,)14}x y x y <+<是开集；集合22{(,)14}x y x y ≤+≤是闭集；而集合22{(,)14}x y x y ≤+<既非开集，也非闭集．此外，还约定全平面2R 和空集∅既是开集又是闭集．连通集：若点集E 中任意两点都可以用完全含于E 的有限条直线段所组成的折线相连接，则称E 是连通集．区域（开区域）：连通的开集称为区域或开区域．闭区域：开区域连同它的边界一起组成的集合，称为闭区域． 例如，22{(,)14}x y x y <+<是区域；22{(,)14}x y x y ≤+≤是闭区域．有界集：对于点集E ，如果能包含在以原点为中心的某个圆内，则称E 是有界点集．否则称为无界点集． 例如22{(,)1}x y x y +≤是有界闭区域，而22{(,)1}x y x y +>是无界的开区域．2． n 维空间称n 元有序实数组12(,,)n x x x 的全体为n 维空间，记为12{(,,),1,2}n n i R x x x x R i n =∈= ．n R 中的每个元素12(,,)n x x x 称为n 维空间中的一个点，i x 称为该点的第i 个坐标．设点12(,,)n M x x x ，12(,,)n N y y y 为nR 中的两点，我们规定M ，N 两点间的距离为MN =．显然，当1,2,3n =时，上式就是解析几何中在直线、平面、空间中两点间的距离公式．有了两点间的距离规定之后，就可以把平面点集中的邻域的概念推广到n R 中去．设0n P R ∈，δ是一正数，那么nR 中的点集 00(,){ ,}n U P P P P P R δδ=<∈就称为点0P 的δ邻域．有了邻域之后，就可以把平面点集中的内点、外点、边界点、聚点、开集、闭集、区域等概念推广到n 维空间去．二、二元函数的概念1． 二元函数的概念在很多自然现象以及实际问题中，经常会遇到一个变量依赖于多个变量的关系，下面先看几个例子．例1 正圆锥体的体积V 和它的高h 及底面半径r 之间有关系213V r h π=．当r 和h 在集合{(,)0,0}r h r h >>内取定一组数时，通过关系式213V r h π=，V 有唯一确定的值与之对应． 例 2 一定量的理想气体的压强P 、体积V 和绝对温度T 之间有关系RT PV =，其中R 为常数．当V 、T 在集合{(,)0,0}V T V T >>内取定一组数时，通过关系式RT P V=，P 有唯一确定的值与之对应． 上面两个例子，虽然来自不同的实际问题，但都说明，在一定的条件下三个变量之间存在着一种依赖关系，这种关系给出了一个变量与另外两个变量之间的对应法则，依照这个法则，当两个变量在允许的范围内取定一组数时，另一个变量有唯一确定的值与之对应．由这些共性便可得到以下二元函数的定义．定义1 设D 是平面上的一个点集，如果对于D 内任意一点(,)P x y ，变量z 按照一定法则总有唯一确定的值与之对应，则称z 是变量x ，y 的二元函数（或称z 是点P 的函数），记作(,),(,)z f x y x y D =∈或(),z f P P D =∈．其中点集D 称为函数的定义域，x ，y 称为自变量，z 也称为因变量，数集{(,),z z f x y = (,)}x y D ∈称为该函数的值域．z 是x ，y 的函数也可记为(,)z z x y =．按照定义，在例1和例2中，V 是h 和r 的函数，P 是V 和T 的函数，它们的定义域由实际问题来确定．当二元函数仅用算式表示而未注明定义域时，约定其定义域为使算式有意义的点的集合．例3 求下列函数的定义域．（1）ln()z x y =+； （2）22arcsin()z x y =+．解 （1）要使ln()x y +有意义，必须有0x y +>，所以定义域为 {(,)0}x y x y +>．（见图8-4），这是一个无界开区域．（2）要使22arcsin()x y +有意义，必须有221x y +≤，所以定义域为22{(,)1}x y x y +≤．（见图8-5），这是一个有界闭区域．设二元函数(,)z f x y =的定义域为D ，对任一点(,)x y D ∈，必有唯一的(,)z f x y =与之对应．这样，以x 为横坐标，y 为纵坐标，(,)z f x y =为竖坐标在空间就确定一个点(,,)P x y z ．当(,)x y 取遍D 上一切点时，相应地得到一个空间点集{(,,)(,),(,)}x y z z f x y x y D =∈，这个点集称为二元函数(,)z f x y =的图形（见图8-6）．通常(,)z f x y =的图形是一张曲面，函数(,)f x y 的定义域D 便是该曲面在xOy 面上的投影．例如，由空间解析几何知道，25zx y =+的图形是一张平面，而函数22z x y =+的图形是旋转抛物面．2． n 元函数的概念定义2 设E 是nR 中的一个点集，如果对于E 中任意一点12(,,)n P x x x ，变量u 按照一定法则总有唯一确定的值与之对应，则称u 是定义在E 上的n 元函数，记作 1212(,,),(,,)n n u f x x x x x x E =∈ ，或(),u f P P E =∈．点集E 称为函数的定义域，数集1212{(,,),(,,)}n n u u f x x x x x x E =∈ 称为该函数的值域．在定义2中，分别令2n =和3n =，便得到二元函数和三元函数的定义，二元及二元以上的函数统称为多元函数．三、二元函数的极限设二元函数(,)z f x y =定义在平面点集D 上，000(,)P x y 为点集D 的聚点，我们来讨论当点000(,)(,)P x y P x y →，即点0x x →，0y y →时函数(,)z f x y =的极限．这里000(,)(,)P x y P x y →是指点P 以任意的方式趋于0P ，亦即两点P 与0P 之间的距离趋于零，也就是00P P =→．与一元函数的极限概念类似，如果在000(,)(,)P x y P x y →的过程中，(,)P x y 所对应的函数值(,)f x y 无限接近于一个常数A ，则称当000(,)(,)P x y P x y →时，函数(,)z f x y =以A 为极限．下面用“εδ-”语言来描述这个极限的概念．定义3 设二元函数(,)z f x y =的定义域为D ，000(,)P x y 是D 的聚点，A 是一个常数．如果对于任意给定的正数ε，总存在正数δ，使得当0(,)(,)P x y UP D δ∈ 时，恒有 ()(,)f P A f x y A ε-=-<成立，则称当000(,)(,)P x y P x y →时，函数(,)z f x y =以A 为极限，记为00(,)(,)lim (,)x y x y f x y A →=或00lim (,)x x y y f x y A →→=， 也记作0lim ()P P f P A →=．二元函数的极限也称为二重极限．例4设(,)f x y =(,)(0,0)lim (,)0x y f x y →=．证 这里函数(,)f x y 的定义域是2D R =，点(0,0)O 显然为D 的聚点．由于(,)0sin 0f x y -=≤可见，对任意给定的0ε>，取δε=，则当0δ<<，即(,)(,)P x y U O D δ∈ 时，恒有(,)0f x y ε-≤<，成立，根据二元函数极限的定义，证得(,)(0,0)lim (,)0x y f x y →=．我们必须注意，所谓二重极限存在，是指(,)P x y 以任何方式趋于000(,)P x y 时，函数(,)f x y 都无限接近于同一个常数A ．因此，当P 以某种特殊方式趋近于0P ，即使函数(,)f x y 无限接近于某一常数，也不能断定二重极限存在．但当P 以某种特殊方式趋近于0P 时，函数(,)f x y 的极限不存在，或者当P 沿两个特殊方式趋近于0P 时，函数(,)f x y 的极限存在但不相等，则可以断定二重极限不存在． 例5 讨论22(,)xy f x y x y=+当(,)(0,0)x y →时是否存在极限． 解 当点(,)x y 沿着直线ykx =趋于(0,0)时，有 2222222(,)(0,0) 0 lim lim 1x y x y kxxy kx k x y x k x k →→===+++．其值因k 而异，这与极限定义中当(,)P x y 以任何方式趋于000(,)P x y 时，函数(,)f x y 都无限接近于同一个常数A 的要求相违背，因此当(,)(0,0)x y →时，22(,)xy f x y x y =+的极限不存在．以上关于二元函数极限的有关描述，可相应地推广到一般的n 元函数()u f P =即12(,,)n u f x x x = 上去．多元函数极限的性质和运算法则与一元函数相仿，这里不再重复．例6 求22(,)(0,0)1lim ()sin x y x y x y→++． 解 因为(,)(0,0)lim ()0x y x y →+=，而221sin 1x y ≤+，利用有界函数与无穷小的乘积是无穷小，即知22(,)(0,0)1lim ()sin 0x y x y x y→+=+． 例7 2222(,)(0,0)sin()lim x y x y x y→++． 解 利用变量替换．令22u x y =+，当(,)(0,0)x y →时，有0u →，因此2222(,)(0,0)0sin()sin lim lim 1x y u x y u x y u→→+==+． 例8 求222(,)(0,0)lim x y x y x y →+． 解 利用极坐标变换．令co s x r θ=，sin y r θ=，当(,)(0,)x y →时，有0r →，因此 2322222(,)(0,0)00cos sin lim lim lim cos sin 0x y r r x y r r x y r θθθθ→→→===+． 三、二元函数的连续有了二元函数极限的概念，仿照一元函数连续性的定义，不难得出二元函数连续性的定义．定义4 设二元函数(,)z f x y =的定义域为D ，000(,)P x y 是D 的聚点，且0P D ∈，如果0000(,)(,)lim (,)(,)x y x y f x y f x y →= （1）则称二元函数(,)z f x y =在0P 点连续．若记0x x x ∆=-，0y y y ∆=-，则称0000(,)(,)z f x x y y f x y ∆=+∆+∆-为函数(,)f x y 在点000(,)P x y 的全增量．和一元函数一样，可用增量的形式来描述连续性，即当 0000(,)(0,0)(,)(0,0)lim lim (,)(,)0x y x y z f x x y y f x y ∆∆→∆∆→∆=+∆+∆-= 时，(,)f x y 在点000(,)P x y 连续．若函数(,)f x y 在D 上每一点都连续，则称(,)f x y 在D 上连续，或称(,)f x y 是D 上的连续函数．若(,)f x y 在0P 点不连续，则称0P 是函数(,)f x y 的间断点．当函数(,)f x y 在0P 点没有定义；或虽有定义，但当0P P→时函数(,)f x y 的极限不存在；或极限虽存在，但极限值不等于该点处的函数值，则点0P 都是函数(,)f x y 的间断点．例8 讨论函数22 ()(00)() 0 ()(00)xy x y x y f x y x y ⎧≠⎪+=⎨⎪=⎩，，，，，，，，，在点(00)，处的连续性． 解 在本节的例5已经讨论过，当(,)(0,0)x y →时，函数()f x y ，的极限不存在，所以()f x y ，在点(00)，处不连续，即点(00)，是该函数的一个间断点． 根据极限的运算法则和多元函数连续性的定义，不难证明多元连续函数的和、差、积、商（分母不等于零）也都是连续函数．多元连续函数的复合函数也是连续函数．与一元初等函数类似，多元初等函数是指可用一个式子表示的多元函数，这个式子是由常数及具有不同自变量的一元基本初等函数经过有限次的四则运算和复合运算得到的．例如22sin()x y +，ln()x y +都是多元初等函数．根据连续函数的和、差、积、商的连续性以及连续函数的复合函数的连续性，再利用基本初等函数的连续性，我们进一步可以得出如下结论：多元初等函数在其定义区域内是连续的．所谓定义区域是指包含在定义域内的区域或闭区域．由多元初等函数的连续性，如果需求极限0lim()P P f P →，而0P 正是初等函数()f P 定义区域内的一点，则00lim ()()P P f P f P →=．例9 求(,)(1,2)lim ln()x y x y →+．解 函数ln()x y +是多元初等函数，它的定义域{(,)0}D x y x y =+>是一个区域，而点(1,2)D ∈，所以(,)(1,2)lim ln()ln(12)ln3x y x y →+=+=．例10求(,)lim x y → 解(,)((,)(0,0)l i m l i x y x y →→=(,)(l i m 1 2.x y →=+=1+在点(0,0)的连续性．类似于闭区间上一元连续函数的性质，在有界闭区域上的多元连续函数具有以下几个重要性质：性质1（最大值、最小值定理） 在有界闭区域上连续的多元函数，在该区域上有最大值与最小值；性质2（有界性定理） 在有界闭区域上连续的多元函数，在该区域上有界；性质3（介值定理） 在有界闭区域上连续的多元函数，必能取得介于最大值与最小值之间的任何值．习题8-11．判断下列平面点集中哪些是开集、闭集、区域、闭区域、有界集、无界集，并指出它们的边界和聚点． （1）{(,)0,0}D x y x y =≠≠；（2）2{(,)}D x y y x =>； （3）{(,)1}D x y x y =+≤．2．求下列函数的定义域，并作出定义域的草图：（1）2222x y z x y+=-； （2）ln ln z x y =+； （3）22z=（4）z=3．求下列各极限： （1）2222(,)(0,0)1lim ()sinx y x y x y →++； （2）(,)(0,2)sin()limx y xy x →； （3）22(,)limx y →； （4）(,)limy x y →．4．证明下列极限不存在： （1）22(,)(0,0)limx y xy x y →+； （2）(,)(0,0)limx y x yx y →+-． 5．求下列函数的间断点： （1）1sinx y+； （2）22tan()x y +． §2 偏导数与全微分一、偏导数1． 偏导数定义及其计算在一元函数中，我们通过函数的增量与自变量增量之比的极限引出了导数的概念，这个比值的极限刻画了函数对于自变量的变化率．对于多元函数同样需要讨论它的变化率，由于多元函数的自变量多于一个，使得变化率问题变得较为复杂．在这一节里，我们首先考虑多元函数关于其中一个自变量的变化率，即讨论只有一个自变量变化，而其余自变量固定不变（视为常量）时函数的变化率．定义1 设函数(,)z f x y =在点00(,)x y 的某邻域内有定义，当y 固定在0y ，而x 在0x 处有增量x ∆时（点（00,x x y +∆）仍在该邻域中），相应地函数有增量 0000(,)(,)f x x y f x y +∆-． 如果极限00000(,)(,)limx f x x y f x y x∆→+∆-∆存在，则称此极限为函数(,)z f x y =在点00(,)x y 处对x 的偏导数，记作00(,)x f x y 1，00(,)x z x y ，00(,)x y f x ∂∂或00(,)x y zx ∂∂，即0000000(,)(,)(,)limx x f x x y f x y f x y x∆→+∆-=∆． （1）类似地，函数(,)z f x y =在点00(,)x y 处对y 的偏导数定义为00000(,)(,)limy f x y y f x y y ∆→+∆-∆， （2）记作00(,)y f x y ，00(,)y z x y ，00(,)x y f y∂∂或00(,)x y z y∂∂．由偏导数的定义可知，二元函数(,)z f x y =在点00(,)x y 处对x 的偏导数00(,)x f x y ， 实际上就是把y 固定在0y 时，一元函数0(,)f x y 在0x 点的导数0d (,)d x x f x y x =；00(,)y f x y 就是一元函数0(,)f x y 在0y 点的导数0d (,)d y y f x y x=．如果函数(,)z f x y =在区域D 内每一点(,)x y 处对x 的偏导数都存在，那么这个偏导数就是x ，y 的函数，称它为函数(,)z f x y =对自变量x 的偏导函数，记作(,)x f x y ，x z ，f x ∂∂或z x∂∂． 类似地，可以定义函数(,)z f x y =对自变量y 的偏导函数，记作(,)y f x y ，y z ，f y∂∂1偏导数记号x f ，x z 也常记作x f '，x z '．或zy∂∂．偏导函数也简称为偏导数． 显然函数(,)z f x y =在点00(,)x y 处对x 的偏导数00(,)x f x y 就是偏导函数(,)x f x y在点00(,)x y 处的函数值；00(,)y f x y 就是偏导函数(,)y f x y 在点00(,)x y 处的函数值．至于实际求(,)z f x y =的偏导数，并不需要用新的方法，因为偏导数的实质就是把 一个自变量固定，而将二元函数(,)z f x y =看成是另一个自变量的一元函数的导数．计算f x ∂∂时，只要把y 看作常数，而对x 求导数；类似地，计算f y∂∂时，只要把x 看作常数，而 对y 求导数．二元以上的函数的偏导数可类似定义．例如三元函数(,,)u f x y z =在点(,,)x y z 处对x 的偏导数可定义为(,,)(,,)(,,)limx x f x x y z f x y z f x y z x∆→+∆-=∆其中(,,)x y z 是函数(,,)u f x y z =的定义域的内点．求二元以上函数对某个自变量的偏导数也只需把其余自变量都看作常数而对该自变量求导即可．例1 求二元函数arctanyz x=的偏导数． 解 对x 求偏导数时，把y 看作常数，则222211z y y xx x y y x ∂⎛⎫=⋅-=- ⎪∂+⎝⎭⎛⎫+ ⎪⎝⎭； 对y 求偏导数时，把x 看作常数，则222111z xyx x y y x ∂=⋅=∂+⎛⎫+ ⎪⎝⎭． 例2 设323(,)2f x y x x y y =+-，求(1,3)x f ，(1,3)y f ．解 方法一：先求出偏导函数(,)x f x y 和(,)y f x y ，再求偏导函数在点(1,3)的函数值．2(,)34x f x y x xy =+，22(,)23y f x y x y =-，所以 (1,3)15x f =，(1,3)25y f =-．方法二：将(1,3)x f 转化为当3y =时，计算一元函数(,3)f x 在1x =处的导数，32(,3)627f x x x =+-，所以 211d (,3)(1,3)(312)15d x x x f x f x x x ====+=．将(1,3)y f 转化为当1x =时，计算一元函数(1,)f y 在3y =处的导数，3(1,)12f y y y =+-，所以 233d (1,)(1,3)(23)25d y y y f y f y x====-=-．例3已知函数r =2221r r r x y z ⎛⎫∂∂∂⎛⎫⎛⎫++= ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭．证 求rx∂∂时，把y 和z 看作常数，则r x x r∂==∂， 由于所给函数关于自变量对称1，所以r y y r∂=∂，r zz r ∂=∂，从而有22222221r r r x y z x y z r ⎛⎫∂∂∂++⎛⎫⎛⎫++== ⎪ ⎪ ⎪∂∂∂⎝⎭⎝⎭⎝⎭． 例4 已知理想气体的状态方程是PV RT =（R 是常数），求证1P V TV T P∂∂∂⋅⋅=-∂∂∂． 证2P R T R TV V V V ∂∂⎛⎫==- ⎪∂∂⎝⎭， V RT RT T P P∂∂⎛⎫== ⎪∂∂⎝⎭，1若函数表达式中任意两个自变量对调后，仍表示原来的函数，则称函数关于这两个自变量对称．T PV V P P RR∂∂⎛⎫== ⎪∂∂⎝⎭， 故21P V T RT R V RT V T P V P R PV∂∂∂⋅⋅=-⋅⋅=-=-∂∂∂． 从例4不难说明偏导数的记号P V ∂∂，V T ∂∂，TP∂∂是一个整体记号，不能像一元函数的导数d d y x那样看成分子与分母之商，否则将导致1P V TV T P ∂∂∂⋅⋅=∂∂∂的错误结论． 2． 偏导数的几何意义在空间直角坐标系中，二元函数(,)z f x y =的图像是一个空间曲面S ．根据偏导数的定义，00(,)x f x y 就是把y 固定在0y ，一元函数0(,)f x y 在0x 点的导数．而在几何上，一 元函数0(,)z f x y =表示曲面S 与平面0y y =的交线10(,):z f x y C y y =⎧⎨=⎩，则由一元函数导数的几何意义知，00(,)x f x y 就是曲线1C 在点00000(,,(,))P x y f x y 处的切线0x PT 对x 轴的斜率，即0x PT 与x 轴正向所成倾角的正切tan α（见图8-7）．同理，00(,)y f x y 就是曲面S 与平面0x x =的交线20(,):z f x y C x x =⎧⎨=⎩在点0P 处的切线 0y PT 对y 轴的斜率tan β（见图8-8）． 3． 偏导数与连续的关系我们知道，若一元函数()y f x =在点0x 处可导，则()f x 必在点0x 处连续．但对于 二元函数(,)z f x y =来讲，即使在点00(,)x y 处的两个偏导数都存在，也不能保证函(,)f x y 在点00(,)x y 处连续．这是因为偏导数00(,)x f x y ，00(,)y f x y 存在只能保证一元函数0(,)z f x y =和0(,)z f x y =分别在0x 和0y 处连续，但不能保证(,)x y 以任何方式趋于00(,)x y 时，函数(,)f x y 都趋于00(,)f x y ． 例5 求二元函数22()(00)() 0 ()(00)xyx y x y f x y x y ⎧≠⎪+=⎨⎪=⎩，，，，，，，，，在点(0,0)处的偏导数，并讨论它在点(0,0)处的连续性．解 点(0,0)是函数(,)f x y 的分界点，类似于一元函数，分段函数分界点处的偏导数 要用定义去求．0(0,0)(0,0)00(0,0)limlim 0x x x f x f f x x∆→∆→+∆--===∆∆， 又由于函数关于自变量x ，y 是对称的，故(0,0)0y f =．但是我们在本章第1节例8中已经证明(,)f x y 在点(0,0)处不连续．当然，(,)z f x y =在点00(,)x y 处连续也不能保证(,)f x y 在点00(,)x y 的偏导数存在． 例6讨论函数(,)f x y =(0,0)处的偏导数与连续性．解 因为(,)f x y =2R 是一个区域，而2(0,0)R ∈，因此(,f x (0,0)处连续．但00(0,0)(0,0)(0,0)limlim x x x x f x f f xx ∆→∆→∆+∆-==∆∆不存在由．函数关于自变量是对称的知，(0,0)y f 也不存在．4． 高阶偏导数设函数(,)z f x y =在区域D 内具有偏导数(,)x zf x y x ∂=∂，(,)y z f x y y∂=∂， 一般来讲，在D 内(,)x f x y ，(,)y f x y 仍然是x ，y 的函数，如果(,)x f x y ，(,)y f x y 关于x ，y 的偏导数也存在，则称(,)x f x y ，(,)y f x y 的偏导数是函数(,)z f x y =的二阶偏导 数．按照对两个自变量求导次序不同，二元函数(,)z f x y =的二阶偏导数有如下四种情形：对x 的二阶偏导数：2222(,)xx z z ff x y x x x x ∂∂∂∂⎛⎫=== ⎪∂∂∂∂⎝⎭， 先对x 后对y 的二阶偏导数：22(,)xy z z ff x y y x x y x y∂∂∂∂⎛⎫=== ⎪∂∂∂∂∂∂⎝⎭， 先对y 后对x 的二阶偏导数：22(,)yx z z ff x y x y y x y x ⎛⎫∂∂∂∂=== ⎪∂∂∂∂∂∂⎝⎭， 对y 的二阶偏导数：2222(,)yy z z f f x y y y y y⎛⎫∂∂∂∂=== ⎪∂∂∂∂⎝⎭1．如果二阶偏导数的偏导数存在，就称它们是函数(,)f x y 的三阶偏导数，例如2323z z x x x ⎛⎫∂∂∂= ⎪∂∂∂⎝⎭，2322z zy x x y⎛⎫∂∂∂= ⎪∂∂∂∂⎝⎭等，类似地，我们可以定义四阶，五阶，…，n 阶偏导数．二阶及二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数．如果高阶偏导数中既有对x 也有对y 的偏导数，则此高阶偏导数称为混合偏导数，例如2z x y ∂∂∂，2z y x∂∂∂．例7 求函数2x yz e +=的所有二阶偏导数．解 由于2x y z e x +∂=∂，22x y ze y+∂=∂， 因此有 2222()x yx y z z e e x x x x++∂∂∂∂⎛⎫=== ⎪∂∂∂∂⎝⎭， 222()2x y x y z z e e x y y x y++∂∂∂∂⎛⎫=== ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭， 2222222(2)2(2)4.x y x y x y x yz z e e y x x y xz z e e y y y y++++⎛⎫∂∂∂∂=== ⎪∂∂∂∂∂⎝⎭⎛⎫∂∂∂∂=== ⎪∂∂∂∂⎝⎭，1二阶偏导数记号xx f ，xy f ，yx f ，yy f 也常记作xxf ''， xy f ''， yx f ''， yy f ''．在此例中，两个二阶混合偏导数相等，即22z zx y y x∂∂=∂∂∂∂，但这个结论并非对任何函数 成立，只有在满足一定条件时，二阶混合偏导数才与求偏导的次序无关．对此，我们不加证明地给出下面的定理．定理1 如果函数(,)z f x y =的两个二阶混合偏导数2z x y ∂∂∂及2zy x∂∂∂在区域D 内连续，那么在该区域内这两个二阶混合偏导数相等．换句话说，两个二阶混合偏导数在偏导数连续的条件下与求偏导的次序无关．对于二元以上的函数，我们也可以类似地定义高阶偏导数．而且高阶混合偏导数在偏导数连续的条件下也与求偏导的次序无关．例8验证函数ln z =满足方程拉普拉斯（Laplace ）方程22220z zx y∂∂+=∂∂．证因为221lnln()2z x y ==+，所以 2222222222222222()2()()()z x x x yz z x x y x x y xx x x x x y x y x y ∂=∂+∂∂∂∂+-⋅-⎛⎫==== ⎪∂∂∂∂+++⎝⎭，，利用函数关于自变量的对称性，在22zx∂∂的结果中，将x 与y 互换，便得到2222222()z x y y x y ∂-=∂+， 因此 222222222222220()()z z y x x y x y x y x y ∂∂--+=+=∂∂++． 二、全微分1． 全微分的定义我们知道一元函数()y f x =在点0x 可微是指：如果当自变量x 在0x 处有增量x ∆时，函数增量y ∆可表示为00()()()y f x x f x A x o x ∆=+∆-=∆+∆，其中A 与x ∆无关，()o x ∆是x ∆的高阶无穷小量，则称()y f x =在点0x 可微，并称A x ∆为()f x 在点0x 处的微分，记为d y A x =∆．对于二元函数，我们也用类似的方法来定义可微性及全微分．定义2 设函数(,)z f x y =在点00(,)x y 的某邻域内有定义，点00(,)x x y y +∆+∆为该邻域内任意一点，若函数在点00(,)x y 处的全增量0000(,)(,)z f x x y y f x y ∆=+∆+∆-可表示为()z A x B y o ρ∆=∆+∆+， （3）其中A ，B 仅与点00(,)x y 有关，而与x ∆，y ∆无关，ρ=()o ρ是当0ρ→时较ρ高阶的无穷小量，即0()lim0o ρρρ→=，则称函数(,)z f x y =在点00(,)x y 处是 可微的，并称A x B y ∆+∆为函数(,)z f x y =在点00(,)x y 处的全微分，记作00(,)d xy z ，即(,)d x y z A x B y =∆+∆． （4）2． 可微性条件定理2（可微的必要条件） 若(,)z f x y =在点00(,)x y 处可微，则 （1）(,)f x y 在点00(,)x y 处连续；（2）(,)f x y 在点00(,)x y 处的偏导数存在，且00(,)x A f x y =，00(,)y B f x y =． 证（1） 设(,)z f x y =在点00(,)x y 处可微，根据可微的定义有0000(,)(,)()z f x x y y f x y A x B y o ρ∆=+∆+∆-=∆+∆+，当(,)(0,0)x y ∆∆→时，有0ρ=1，于是()0o ρ→，从而有0000(,)(0,0)(,)(0,0)lim lim(,)(,)x y x y z f x x y y f x y ∆∆→∆∆→∆=+∆+∆-(,)(0,0)lim ()0x y A x B y o ρ∆∆→=∆+∆+=，所以(,)f x y 在点00(,)x y 处连续．证毕（2）因为(,)z f x y =在点00(,)x y 处可微，则有0000(,)(,)()z f x x y y f x y A x B y o ρ∆=+∆+∆-=∆+∆+，上式对任意的x ∆，y ∆都成立，特别地，当0y ∆=时，x ρ=∆，则有0000(,)(,)()f x x y f x y A x o x +∆-=∆+∆，等式两边同除以x ∆，再令0x ∆→，得000000()(,)(,)limlim x x A x o x f x x y f x y A x x∆→∆→∆+∆+∆-==∆∆，1由于,x yx yρ∆∆≤∆+∆，所以有0x ∆→，00y ρ∆→⇔→．即(,)f x y 在点00(,)x y 处对x 的偏导数存在，且00(,)x f x y A =．同理可证(,)f x y 在点00(,)x y 处对y 的偏导数也存在，且00(,)y f x y B =．证毕根据此定理，(,)z f x y =在点00(,)x y 处的全微分可以写成0000(,)d (,)(,)x y x y z f x y x f x y y =∆+∆．与一元函数的情形一样，由于自变量的增量等于自变量的微分，即d x x ∆=，d y y ∆=，所以(,)z f x y =在点00(,)x y 处的全微分又可以写成000000(,)d (,)d (,)d x y xy z f x y x f x y y =+． （5）如果函数(,)z f x y =在区域D 上每一点都可微，则称函数在区域D 上可微，且(,)z f x y =在D 上全微分为d d d z zz x y x y∂∂=+∂∂． （6） 在一元函数中，函数在某点可导与可微是等价的，但对于多元函数来说，情形就不同了，函数的偏导数存在，不一定能保证函数可微．当偏导数存在时虽然在形式上能写出0000(,)(,)x y f x y x f x y y ∆+∆，但它与z ∆的差不一定是当0ρ→时较ρ高阶的无穷小量，只有当0000[(,)(,)]()x y z f x y x f x y y o ρ∆-∆+∆=时，即00000[(,)(,)]limx y z f x y x f x y y ρρ→∆-∆+∆=时，才能说函数在该点可微．例如本节例5中所讨论的函数22 ()(00)() 0 ()(00)xyx y x y f x y x y ⎧≠⎪+=⎨⎪=⎩，，，，，，，，，在点(0,0)处有(0,0)0x f =，(0,0)0y f =，所以3222[(0,0)(0,0)](0,0)(0,0)[(0,0)(0,0)][()()]x y z f x f y f x y f f x f y x y x y ρ∆-∆+∆+∆+∆--∆+∆=∆∆=∆+∆，如果考虑点(,)x y ∆∆按照y x ∆=∆的方式趋向于点(0,0)，这时有233(,)(0,0)022322 ()lim lim [()()]2()x y x y x x y x x y x ∆∆→∆→∆=∆∆∆∆==∞∆+∆∆， 即0[(0,0)(0,0)]lim x y z f x f y ρρ→∆-∆+∆不存在，则由可微性定义有(,)f x y 在点(0,0)处不可微．当然由本节例5可知，函数(,)f x y 在点(0,0)处不连续，由定理2知不连续则不可微，则(,)f x y 在点(0,0)处的不可微．此例题说明偏导数存在只是可微的必要条件而不是充分条件．但是如果将可偏导的条件加强为偏导数连续，则函数就可微了．定理3（可微的充分条件） 若函数(,)z f x y =的偏导数在点00(,)x y 的某邻域内存 在，且(,)x f x y 与(,)y f x y 在点00(,)x y 处连续，则函数(,)f x y 在点00(,)x y 处可微．证 函数(,)f x y 的全增量z ∆可以表示为000000000000(,)(,)[(,)(,)][(,)(,)]z f x x y y f x y f x x y y f x y y f x y y f x y ∆=+∆+∆-=+∆+∆-+∆++∆-在第一个方括号中，变量0y y +∆保持不变，因此可以把方括号中的表达式看作是关于x 的一元函数0(,)f x y y +∆的增量；在第二个方括号中，变量0x 保持不变，因此可以把方括号中的表达式看作是关于y 的一元函数0(,)f x y 的增量．对它们分别应用一元函数的拉格朗日中值定理得010002(,)(,)x y z f x x y y x f x y y y θθ∆=+∆+∆∆++∆∆，（10θ<，21θ<）． 由于(,)x f x y 与(,)y f x y 在点00(,)x y 处连续，因此有01000(,)(0,0)lim (,)(,)x x x y f x x y y f x y θ∆∆→+∆+∆=，00200(,)(0,0)lim(,)(,)y y x y f x y y f x y θ∆∆→+∆=， 即 01000(,)(,)x x f x x y y f x y θα+∆+∆=+，00200(,)(,)y y f x y y f x y θβ+∆=+，其中当0x ∆→，0y ∆→时，0α→，0β→．从而0000(,)(,)x y z f x y x f x y y x y αβ∆=∆+∆+∆+∆．而20)x y αβρ∆+∆≤0αβ≤+→，(0x ∆→，0)y ∆→所以 (,)(0,0)lim0x y x y αβρ∆∆→∆+∆=， 又由于0x ∆→，00y ρ∆→⇔→，所以0lim 0x y ραβρ→∆+∆=，即当0ρ→时，有 ()x y o αβρ∆+∆=．于是证明了(,)f x y 在点00(,)x y 处可微．证毕注意偏导数连续只是函数可微的充分条件，不是必要条件．例9 证明22221(sin ()(00)(,) 0 ()(00)x y x y x y f x y x y ⎧+≠⎪+=⎨⎪=⎩)，，，，，，，，在点(0,0)处可微，但在点(0,0)处偏导数不连续．证 200(0,0)(0,0)1(0,0)lim lim sin 0()x x x f x f f x x x ∆→∆→+∆-==∆=∆∆， 由于函数关于自变量是对称的，则(0,0)0y f =．于是0[(0,0)(0,0)]lim x y z f x f y ρρ→∆-∆+∆022220220(0,0)(0,0)[(0,0)(0,0)]lim 1[()()]sin [()()]lim 1sin lim 0x y f x y f f x f y x y x y ρρρρρρρρ→→→+∆+∆--∆+∆=∆+∆∆+∆===，所以函数(,)f x y 在点(0,0)处可微．当(,)(0,0)x y ≠时，由22221(,)(sin f x y x y x y=++)有 222222222222(,)(0,0)(,)(0,0)121(,)2sincos 121lim (,)lim 2sin cos x x x y x y x f x y x x y x y x y x f x y x x y x y x y →→=-+++=-+++ 当点(,)x y 沿x 轴趋于(0,0)时，由于222(,)(0,0)0 011lim 2sin lim2sin 0x y x y x x x y x→→===+， 22222(,)(0,0)0 02121limcos lim cos x y x y x x y x y x x →→==++不存在，所以(,)(0,0)lim (,)x x y f x y →不存在，即(,)x f x y 在点(0,0)处不连续，同理(,)y f x y 在点(0,0)处也不连续．根据前面的讨论，函数(,)f x y 连续，偏导数存在，可微的关系可用下图表示：偏导数连续连续以上关于全微分的定义及可微的必要条件和充分条件可以完全类似地推广到三元及三元以上的函数．例如，若三元函数(,,)u f x y z =的三个偏导数都存在且连续，则它的全微分存在，并有d d d d u u u u x y z x y ∂∂∂=++∂∂∂z ． 例10 求函数222z x y xy =+在点(1,2)处的全微分．解 24z xy y x ∂=+∂，2(1,2)(1,2)(4)12z xy y x ∂=+=∂， 222z x xy y ∂=+∂，2(1,2)(1,2)(22)6z x xy y ∂=+=∂， 由于z x ∂∂，z y ∂∂在点(1,2)处连续，所以函数222z x y xy =+在点(1,2)处可微，且有(1,2)(1,2)(1,2)d d d 12d 6d z z z x y x y x y ∂∂=+=+∂∂． 例11 求函数2xyz ue xy z =++的全微分．解 xyz u yze y x ∂=+∂，xyz u xze x y∂=+∂，2xyz u xye z z ∂=+∂ 由于u x ∂∂，u y ∂∂，u z∂∂连续，所以函数2xyz u e xy z =++可微，且有 d ()d ()d (2)d xyz xyz xyz u yze y x xze x y xye z z =+++++．例12 求函数22z x y =在点(2,1)-处，当0.02x ∆=，0.01y ∆=-时的全微分d z 和全增量z ∆．解 22z xy x ∂=∂，2(2,1)(2,1)24z xy x --∂==∂， 22z x y y ∂=∂，2(2,1)(2,1)28z x y y --∂==-∂， 由于z x ∂∂，z y∂∂在点(2,1)-处连续，所以函数22z x y =在点(2,1)-处可微，且 (2,1)(2,1)(2,1)d 4(0.02)(8)(0.01)0.16z z z x y x y ---∂∂=∆+∆=⨯+-⨯-=∂∂， 2222(20.02)(10.01)2(1)0.1624z ∆=+⨯---⨯-=．此例中z ∆与d z 的差仅为0.0024．3． 全微分在近似计算中的应用设函数(,)z f x y =在点00(,)x y 处可微，则它在点00(,)x y 处的全增量为00000000(,)(,)(,)(,)()x y z f x x y y f x y f x y x f x y y o ρ∆=+∆+∆-=∆+∆+，其中()o ρ是当0ρ→时较ρ高阶的无穷小量．因此，当x ∆，y ∆都很小时，有近似公 式 0000d (,)(,)x y z z f x y x f x y y ∆≈=∆+∆，上式有时也写成 00000000(,)(,)(,)(,)x y f x x y y f x y f x y x f x y y +∆+∆≈+∆+∆． （7）利用上面的近似公式（7）可以计算函数的近似值．例13 计算 3.96(1.08)的近似值．解 把 3.96(1.08)看作是函数(,)y f x y x =在 1.08x =， 3.96y =时的函数值(1.08,3.96)f ．取01x =，04y =，0.08x ∆=，0.04y ∆=-． 由于1(,)y x f x y yx -=，(1,4)4x f =，(,)ln y y f x y x x =，(1,4)0y f =，(1,4)1f =，应用近似公式（7）有3.96(1.08)(1,4)(1,4)0.08(1,4)(0.04)140.080(0.04) 1.32.x y f f f ≈+⨯+⨯-=+⨯+⨯-= 例14 金属圆锥体受热变形，底面半径由30cm 增加到30.1cm ，高由60cm 减少到59.5cm ，求圆锥体体积变化的近似值． 解 设圆锥体的底面半径、高和体积依次为r 、h 和V ，则圆锥体体积为213V r h π=． 记r 、h 和V 的增量依次为r ∆、h ∆和V ∆．应用近似公式（7）有 221d 33V V V V r h rh r r h r h ππ∂∂∆≈=∆+∆=∆+∆∂∂． 将30r =，60h =，0.1r ∆=，0.5h ∆=-代入上式，得圆锥体体积变化的近似值 232130600.130(0.5)3330().V cm πππ∆≈⨯⨯⨯+⨯⨯-=- 即圆锥体的体积约减少了330cm π． 习题 8-21．求下列函数的偏导数：（1）y z x =； （2）sin x z xe y =；（3）ln()z x x y =+； （4）z =（5）z = （6）ln(z x =+；（7）arctan 1x y z xy +=-； （8）z x u y ⎛⎫= ⎪⎝⎭； （9）z y u x =； （10）z y ux =． 2．设(,)(f x y x y =+-(,1)x f x ． 3．求曲线2244x y z y ⎧+=⎪⎨⎪=⎩，，在点(2,4,5)处的切线与x 轴正向所成的倾角． 4．求下列函数的二阶偏导数：（1）44224z x y x y =+-； （2）xy z e =；（3）2sin (2)z x y =+； （4）arctanx z y =． 5．验证：（1）11x y z e ⎛⎫-+ ⎪⎝⎭=满足方程222x y z x y∂∂+=∂∂z z ； （2）ln()x y z e e =+满足方程2222220z z z x y x y ⎛⎫∂∂∂⋅-= ⎪∂∂∂∂⎝⎭； （3）r =2222222r r r x y z r ∂∂∂++=∂∂∂； （4）1u r =满足方程2222220u u u x y z∂∂∂++=∂∂∂，其中r = 6．设ln()z x xy =，求32z x y ∂∂∂，32z x y ∂∂∂． 7．考察函数221sin ()(00)() 0 ()(00)y x y x y f x y x y ⎧≠⎪+=⎨⎪=⎩，，，，，，，，，在点(0,0)处的偏导数是否存在．8．求下列函数的全微分：（1）y z x=； （2）y z x =； （3）xy z xe y =+； （4）222ln()u x y z =++．9．求下列函数在指定点的全微分：（1）xyz e =，在点(2,1)处； （2）arctany z x=，在点(1,1)处． 10．求函数z xy =，当10x =，8y =，0.2x ∆=，0.1y ∆=-时的全增量和全微分． 11．证明函数222(,)(0,0)(,)0(,)(0,0)x y x y f x y x y x y ⎧≠⎪=+⎨⎪=⎩， ， 在点(0,0)处连续，且偏导数存在，但在点(0,0)处不可微．12．求下列各式的近似值：（1） 1.98(1.03)； （2．13．金属圆柱体受热变形，半径由20cm 增加到20.02cm ，高由30cm 增长到30.03cm ，求圆柱体体积变化的近似值．§3 多元函数微分法一、复合函数微分法1． 复合函数微分法在一元函数中，我们介绍了复合函数的求导法则：如果函数()u x ϕ=在点x 处可导 而()y f u =在对应点u (())u x ϕ=处可导，则复合函数(())y f x ϕ=在点x 处可导，且有d d d ()()d d d y y u f u x x u xϕ''=⋅=⋅． 现在将这一微分法则推广到多元复合函数的情形，并按照多元复合函数的不同的复合情形，分三种情况讨论．（1）． 复合函数的中间变量均为一元函数的情形定理1 设函数()u t ϕ=，()v t ψ=在点t 处可导，函数(,)z f u v =在对应点(,)u v 处可微，则复合函数[(),()]z f t t ϕψ=在点t 处可导，并且有。
第8章 多元函数微分法及其应用 习题 9 (3)
(1) ∫∫∫ (x + y + z)dv , 其中 Ω 是由圆锥面 z = 1 − x2 + y2 与平面 z = 0 围成的闭 Ω
区域;
(2) ∫∫∫ z x2 + y2 dv , 其中 Ω 是由柱面 y = 2x − x2 与平面 z = 0 , z = 1 及 y = 0 Ω
围成的闭区域. 解 (1) Ω 可表示为 0 ≤ z ≤ 1 − ρ , 0 ≤ ρ ≤ 1, 0 ≤ θ ≤ 2π , 故
区域是圆域 x2 + y2 ≤ 1 , 于是 Ω 可用不等式表 示为:
z z = x2 + 2y2 = 2 − x2
O y
x 图 9.41
x2 + 2 y2 ≤ z ≤ 2 − x2 , − 1 − x2 ≤ y ≤ 1 − x2 , −1 ≤ x ≤ 1 ,
1
因此
∫∫∫ ∫ ∫ ∫ 1
1− x2
x, 0 ≤ x ≤
π }
,
故
2
∫∫∫ ∫ ∫ ∫ π y cos(x + z)dv = 2 dx
x
dy
π 2
−x
y
cos(x
+
z)dz
0
0
0
Ω
∫ ∫ ∫ π
= 2 dx
x ( y - y sin x)dy =
π 2
x(1 − sin
x) dx
=
π2
−
1
.
0
0
0
2
16 2
3
(5)
法1
不妨设 h > 0 ,
2 dρ
4−ρ2 f (ρ 2 + z2 )ρdz ,
高等数学 多元函数微分法及其应用ppt课件
其余类推
fxy( x,
y)
lim
y0
fx(x, y
y) y
fx(x, y)
(2) 同样可得：三阶、四阶、…、以及n 阶偏导数。
(3) 【定义】二阶及二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数。
【例
1】设 z
x3
y2
3 xy 3
xy
1，求二阶偏导数及
3z x 3
.
【解】 z 3x2 y2 3 y3 y, x
x2 y2 sin x2 y2 ( x2 y2 )3 2
y0
换元,化为一元 函数的极限
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【阅读与练习】 求下列极限
5/51
x2
(1)lim sin( xy) (a 0); (2) lim (1 1 )x2 y2 ;
x0 x
x
x
ya
ya
1
(3)lim(1 sin xy)xy; x0
(2) 【复合函数求导链式法则】
①z
u
v
t t
dz z du z dv dt u dt v dt
全导数
u
x z z u z v y x u x v x
②z
v
x z z u z v
y y u y v y
③ z f (u, x, y)
u x z f f u
y x x u x
(
x,
y,
z)
lim
z0
z
.
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10/51
4. 【偏导数的几何意义】 设 M0( x0 , y0 , f ( x0 , y0 )) 为曲面 z f ( x, y) 上一点, 如图
（完整版）多元函数微分法及其应用习题及答案
（完整版）多元函数微分法及其应⽤习题及答案第⼋章多元函数微分法及其应⽤(A)1．填空题(1)若()y x f z ,=在区域D 上的两个混合偏导数y x z 2，xy z2 ，则在D 上，xy zy x z =22。
(2)函数()y x f z ,=在点()00,y x 处可微的条件是()y x f z ,=在点()00,y x 处的偏导数存在。
(3)函数()y x f z ,=在点()00,y x 可微是()y x f z ,=在点()00,y x 处连续的条件。
2．求下列函数的定义域(1)y x z -=；(2)22arccos yx z u +=3．求下列各极限(1)x xy y x sin lim 00→→； (2)11lim 00-+→→xy xyy x ； (3)22222200)()cos(1lim y x y x y x y x ++-→→4．设()xy x z ln =，求y x z 23及23y x z。
5．求下列函数的偏导数 (1)xyarctgz =；(2)()xy z ln =；(3)32z xy e u =。
6．设u t uv z cos 2+=，t e u =，t v ln =，求全导数dt dz 。
7．设()z y e u x -=，t x =，t y sin =，t z cos =，求dtdu。
8．曲线??=+=4422y y x z ，在点(2,4,5)处的切线对于x 轴的倾⾓是多少？9．求⽅程1222222=++c11．设()y x f z ,=是由⽅程y z z x ln =确定的隐函数，求xz，y z ??。
12．设x y e e xy =+，求dxdy 。
13．设()y x f z ,=是由⽅程03=+-xy z e z确定的隐函数，求xz，y z ??，y x z 2。
14．设y ye z x cos 2+=，求全微分dz 。
15．求函数()222ln y x z ++=在点()2,1的全微分。
多元函数微分学的应用
多元函数微分学的应用引言在数学中，多元函数微分学是研究多元函数的变化过程的一门学科。
通过微分学的方法，我们可以研究多元函数的局部性质、极值点和方向导数等重要概念。
多元函数微分学在科学、工程和经济等领域有着广泛的应用。
本文将介绍多元函数微分学的一些应用，并重点讨论最小二乘法和梯度下降法的实际应用。
最小二乘法最小二乘法是一种常用的数据拟合方法，它通过最小化实际观测值与理论模型之间的误差平方和，来寻找最佳的参数估计。
在多元函数微分学中，最小二乘法可以用于拟合多元线性回归模型。
假设我们有一组观测数据$(x_1, y_1), (x_2, y_2), \\ldots, (x_n, y_n)$，其中x x是自变量，x x是因变量。
我们的目标是找到一条直线 $y = a + b_1x_1 + b_2x_2 + \\ldots + b_mx_m$，使得所有观测数据到该直线的距离之和最小。
这可以转化为一个最小二乘问题。
在最小二乘法中，我们引入残差$r_i = y_i - (a + b_1x_{i1} +b_2x_{i2} + \\ldots + b_mx_{im})$，其中，x是截距，x x是斜率系数，x xx是第x组数据的第x个自变量的取值。
我们的目标是找到一组最优的x和x x，使得x x的平方和最小。
最小二乘法可以通过求解线性方程组来得到参数的估计值。
具体而言，我们可以通过计算矩阵的逆来得到参数的最小二乘解。
梯度下降法梯度下降法是一种常用的优化算法，它通过迭代的方式逐步更新参数，以达到函数的最小值。
在多元函数微分学中，梯度下降法可以用于求解多元函数的极值点。
假设我们要求解函数$f(x_1, x_2, \\ldots, x_n)$ 的极小值点，其中x x表示第x个自变量。
梯度下降法的基本思想是：从一个初始点开始，通过迭代更新参数，使得函数的值逐渐减小，直到达到最小值。
梯度下降法的更新规则如下：repeat until convergence {for i from 1 to n {theta_i := theta_i - alpha * (d/dtheta_i J(theta))}}其中，$J(\\theta)$ 是损失函数，$d/d\\theta_iJ(\\theta)$ 是损失函数对第x个参数的偏导数，$\\theta_i$ 是第x个参数的值，$\\alpha$ 是学习率。
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m 取 苯量，可使从水溶液中萃取的醋酸最多． 3
三、绿地喷浇设施的节水构想 城市水资源问题正随着城市现代化的加速变得日益突出，亟待采 取措施进行综合治理．缓解缺水状况无外乎两种方式，一是开源， 二是节流．开源是一个巨大而又复杂的整体工程，节流则需从小 处着眼，汇细流而成大海．公共绿地的浇灌是一个长期而又大量 的用水项目，目前有移动水车浇灌和固定喷水龙头旋转喷浇两种 方式．移动水车主要用于道路两侧狭长绿地的浇灌，固定喷水龙 头主要用于公园、小区、广场等观赏性绿地．观赏性绿地的草根 很短，根系寻水性能差，不能蓄水，故喷水龙头的喷浇区域要保 证对绿地的全面覆盖．据观察，绿地喷水龙头分布方式和喷射半 径的设定具有较大的随意性．本例考虑将龙头的喷射半径设定为 可变量，通过对各喷头喷射半径的优化设定，可以使有效覆盖率 更高．
对第一次萃取作醋酸量的平衡计算：
醋酸的总量＝苯中醋酸的量＋水溶液中醋酸的量． 由醋酸的物料平衡计算，得
ax0 m1 y1 ax1
再结合萃取时遵守的定律，得
ax0 x1 a m1k
同理，对第二、第三次萃取分别有
ax1 ax2 x2 x 3 a m2 k ， a m3 k ，
L (a m1k )(a m2k )(a m3k ) (m1 m2 m3 m)
分别对 m1 , m2 , m3 及
求偏导数， 令它们为零，得方程组
L m k (a m 2 k )(a m 3 k ) 0 1 L m k (a m1 k )(a m 3 k ) 0 2 L k (a m k )(a m k ) 0 1 2 m 3 L m m m m 0 1 2 3
1 半径为 a 时， 可使喷浇效果最佳，有效覆盖率为 2
5 1 a , r a ， 因此当大圆半径为 5 a 和小圆 解得 R 2 2 2
4a 3 2 a 2
2
8 84.88 ％． 3
第八章 多元函数微分学
§8.9★ 多元函数微分学应用案例
一、竞争性产品生产中的利润最大化 一家制造计算机的公司计划生产两种产品：一种使用27英寸 (in,lin=0.0254m)显示器的计算机，而另一种使用31英寸显示器的 计算机．除了400000美元的固定费用外，每台27英寸显示器的计 算机成本为1950美元，而31英寸的计算机成本为2250美元．制造 商建议每台27英寸显示器的计算机零售价格为3390美元，而31英 寸的零售价格为3990美元．营销人员估计，在销售这些计算机的 竞争市场上，一种类型的计算机每多卖出一台，它的价格就下降 0.1美元．此外，一种类型的计算机的销售也会影响另一种类型的 销售：每销售一台31英寸显示器的计算机，估计27英寸显示器的 计算机零售价格下降0.03美元；每销售一台27英寸显示器的计算机 ，估计31英寸显示器的计算机零售价格下降0.04美元．那么该公司 应该生产每种计算机多少台，才能使利润最大？
n
在条件
S
i 1
n
i
S 下的最小值．
设正方形边长为2a ,以正方形的中心为圆心， R为半径 作圆，称之为大圆，再分别以四个顶点为圆心，作半径为r 的四分之一圆，称之为小圆，
为了使绿地面积与受水面
积的比达到最大，就要选择适
r
R
当的半径R和r,使大圆与小圆的
面积和达到最小．
问题变为求目标函数
( R2 r 2 )
P1 x P2 y ,
400000 1950x 2250y,
(400000 1950x 2250y ) ，
从而利润为 L (3390 0.1 x 0.03 y ) x (3990 0.04x 0.1 y ) y
即
L 0.1 x 2 0.1 y 2 0.07xy 1440x 1740y 400000 , ( x 0, y 0) ．
在约束条件
ห้องสมุดไป่ตู้
R a r a 下的最小值．
2 2
构造拉格朗日函数
L( R, r , ) ( R2 r 2 ) ( R2 a 2 r a )
分别对 R, r , 求偏导数并令它们为零，得方程组
，
R 0 LR 2 R 2 2 R a L y 2 r 0 2 2 L R a ra 0
解方程组
Lx 1440 0.2 x 0.07 y 0 L y 1740 0.07 x 0.2 y 0
得x=4736,y=7043, 即(4736,7043)是利润函数L的惟一驻点， 由该问题的实际意义，函数L是存在最大值的，所以 (4736,7043)是函数L的最大值点．因此该公司应该生产4736台
由此可得
a x0 x3 (a m1k )(a m2 k )(a m3 k )
3
为了在一定苯量时得到最完全的萃取， x3应为极小值． 设
u (a m1k )(a m2 k )(a m3 k ), 现在求函数
u在条件 m1 m2 m3 m下的极大值． 构造拉格朗日函数
解
假设喷水龙头对半径内的绿地做均匀喷浇，喷射半径可取
任意值； 绿地区域假设为正方形区域． 绿化区域记为S, 绿地内放置 n个水龙头，喷射半径 分别为ri, 旋转角度分别为 i （弧度），所形成区域分别记为Si 要使效覆盖率（绿地面积与受水面积的比）达到最大， 相当于求受水面积
1 n 2 S r i i i 2 i 1 i 1
液中萃取的醋酸最多？
解 设水溶液醋酸的体积为a,水溶液中醋酸的初始浓度为x0，
并设每次萃取时都遵守定律：yi=kxi, (i=1,2,3) ,其中k为常数， yi, xi分别表示第 i次萃取时苯中的醋酸重量浓度及水溶液中醋酸重 量浓度，下标i是指萃取的顺序． 设苯的总体积m分为m1, m2和m3三份
解 设x, y分别为生产27英寸显示器的计算机和31英寸显示器
的计算机的数量； P1,P2分别为27英寸显示器的计算机和31英寸 显示器的计算机的零售价格；L为计算机零售的总利润． 由题意可知，
P1 3390 0.1 x 0.03 y, P2 3990 0.04x 0.1 y
则收入为 总成本为
27英寸显示器的计算机和7043台31英寸显示器的计算机，才
能使利润最大．
二、如何才能使醋酸回收的效果最好 在A、B两种物质的溶液中，我们想提取出物质A，可以采用 这样的方法：在A、B的溶液中加入第三种物质C，而C与B不互溶 利用A在C中的溶解度较大的特点，将A提取出来．这种方法就是 化工中的萃取过程． 现在有稀水溶液的醋酸，利用苯作为溶剂，设苯的总体积为m. 进行3次萃取来回收醋酸．问每次应取多少苯量，方使从水溶