高等院校非数学类本科数学课程大 学 数 学
(三)
多元微积分学第一章多元函数微分学曾金平教案编写:刘楚中曾金平电子制作:刘楚中第一章 多元函数微分学本章学习要求:
1,理解多元函数的概念。熟悉多元函数的“点函数”表示法。
2,知道二元函数的极限、连续性等概念,以及有界闭域上连续函数的性质。会求二元函数的极限。知道极限的“点函数”表示法。
3,理解二元和三元函数的偏导数、全导数、全微分等概念。
了解全微分存在的必要条件和充分条件。了解二元函数的偏导数和全微分的几何意义。
4,熟练掌握二元和三元函数的偏导数、全导数、全微分的计算方法及复合函数求导法。能熟练求出函数的二阶偏导数。
了解求偏导与求导顺序无关的条件。
5,理解方向导数的概念,并掌握它的计算方法以及它与梯度的关系。
6,会求隐函数 (包括由方程组确定的隐函数 )的一阶、二阶偏数。
7,知道二元函数的泰勒公式形式。
8,知道 n 元函数的偏导数概念及其求法。
9,熟悉平面的方程和直线的方程及其求法。
10,了解空间 (平面 )曲线的参数方程和一般方程。知道曲面方程。
11,了解曲线的切线与法平面、曲面的切平面与法线的概念,并能熟练求出它们的方程。知道曲线族的包络的概念及其法。
12,理解二元函数无约束极值的概念,能熟练求出二元函数的无约束极值。了解条件极值(有约束极值)的概念,能熟练运用拉格朗日乘数法求条件极值。
13,掌握建立与多元函数极值有关的数学模型的方法。会求解一些较简单的最大值和最小值的应用问题。
多元函数的偏导数是一元函数导数的推广,其计算往往是借用一元函数的计算公式和方法,但实际计算往往较繁,
在推广中有一些东西将起质的变化,
我们通常介绍二元函数的情形,所得结果可以推广到更高元的函数中,一般不会遇到原则性问题,
工程和科学技术中,遇到的大部分是多变量的问题,在处理时往往需要知道在其它变量不变,只有某一个变量变化时,引起的事物反应,
在物理和力学中,经常用到力和速度的分解和合成,一般是将任意方向的力或分速度,
力或速度分解为平行于坐标轴方向的分一元函数 的导数xaxf s i n)(?
xaaxf c o s)(
xaaxf s in),(?
xaaaxf x co s),(
将函数表示为含参数的形式用下标显示是对 x 求导一元函数 的导数xaxf s i n)(?
xaaxf c o s)(
xaaxf s in),(?
xaaaxf x co s),(
xyy s i n)?
xyyyf x co s)
如果 x,y 为自变量,这就是二元函数
f (x,y) 关于变量 x 的偏导数,
将参数 a 换成变量 y.
一,偏增量和全增量偏增量
),(),( 000 yxyxXx
或
),(),( 0000 yxyxxXx
,0 则称固定 yy?
,),( 00 的偏增量处关于在点为变量 xyxX
,2 中空间 R
一,偏增量和全增量偏增量
),(),( 000 yxyxXy
或
),(),( 0000 yxyyxXy
,0 则称固定 xx?
,),( 00 的偏增量处关于在点为变量 yyxX
,2 中空间 R
一,偏增量和全增量全增量
,2 中空间 R ),( ),( 00 处的全增量为在点变量 yxyxX?
),(),( 000 yxyxXXX
或表示为
),(),( 0000 yxyyxxX
,,,00 xxyxxx其中
x
y
O
),( 00 yyxxX
),( 00 yxxX
),( 00 yyxX
Xx?
Xy?
0y
0x
),( 000 yxX
0yy?固定
0xx?固定一,偏增量和全增量例如,
),,(),,( 000000 zyxzzyyxxX
),,(),,( 000000 zyxzyxxXx
),,(),,( 000000 zyxzyyxXy
),,(),,( 000000 zyxzzyxXz
同学们不难将以上增量形式推广至空间 )3(?nR n 中,
函数的增量的全增量和偏增量的改变量称为函数的全增量和偏增量,
函数 相应于自变量 ),( yxfz? yx 和二,多元函数的偏增量和全增量函数的偏增量,2 中空间 R
),(),( 000 yxfyxfzx
),(),( 0000 yxfyxxfzx
函数 ),( yxfz? 在点 ),( 00 yx 处的偏增量为,
及 ),(),(
000 yxfyxfzy
),(),( 0000 yxfyyxfzy
二,多元函数的偏增量和全增量
O
x
y
z
D?
),( yxfz?
)0,,( 00 yxQ
0y
),,( 000 zyxP沿此曲线计算的函数在点 P 处的增量为偏增量 z
x?
二,多元函数的偏增量和全增量函数的全增量,2 中空间 R
),(),( 00 yxfyxfz
),(),( 0000 yxfyyxxfz或二,多元函数的偏增量和全增量函数 ),( yxfz? 在点 ),( 00 yx 处的全增量为,
函数增量的点函数表示,2 中空间 R
)()( 00 XfXXfz
)()( 00 XfXXfz xx
)()( 00 XfXXfz yy
二,多元函数的偏增量和全增量函数 ),( yxfz? 在点 ),( 000 yxX 处的全增量为,
函数 ),( yxfz? 在点 ),( 000 yxX 处的偏增量为,
对于
)3(?nR n 中的函数可仿此进行增量的定义
)()( 00 XfXXfz
)()( 00 XfXXfz kk xx
),,,,,( 21 nk xxxxX
其中
,则设 zyxu?
全增量
zyxzyxxux )( 偏增量
zyxzyyxuy )(
zyxzzyxuz )(
xyzzzyyxxu ))()((
例函数的连续性能否用函数的全增量描述?
想想:
函数的连续性能否用函数的全增量描述? 能
0lim 0 ZX
二元函数的偏导数定义且极限内有定义在设,),U ( ),( 00 yxyxfz?
ax zx yxfyxxf x
xx

0
0000
0
lim),(),(lim
称极限值可偏导处对则称函数在点存在,),(,00 axyx
记为的偏导数量为函数在该点的关于变,x
,
0
0
axz
yy
xx
,
),( 00 a
x
yxf?
,
0
0
az
yy
xxx
,),( 00 ayxf x,),( 001 ayxf
三,多元函数的偏导数且极限内有定义在设,),U ( ),( 00 yxyxfz?
by zy yxfyyxf y
yy

0
0000
0
lim),(),(lim
称极限值可偏导处对则称函数在点存在,),(,00 byyx
记为的偏导数量为函数在该点的关于变,y
,
0
0
byz
yy
xx
,
),( 00 b
y
yxf?
,
0
0
bz
yy
xxy
,),( 00 byxf y,),( 002 byxf
三,多元函数的偏导数二元函数的偏导数定义变量 x 和 y 的偏导数均存在,则称函数若函数 ),( yxf 在点 ),(
00 yx
处关于
),( yxf 在点 ),( 00 yx 处可偏导,
在区域?内的任一点若函数 ),( yxf
内可偏导,
处均可偏导,则称函数 ),( yxf 在区域?
与一元函数的情况类似,函数在区域上的偏导数构成一个偏导函数,一般仍称为函数在区域上的偏导数,
下面讨论偏导数的计算方法
x
yxfyxxf
x
z
x?


),(),(lim
0
可以看出,定义
x
z
时,变量 y 是不变的,实际上,
是对函数 ),( yxf,将 y 视为常数,关于变量 x 按一元函数导数的定义进行的:
x
yxfyxxf
x
z
xyx?


),(),(lim 0000
0),( 00
0d
),(d 0
xxx
yxf

实质上是多元函数的偏导数的计算方法,
没有任何技术性的新东西,
求偏导数时,只要将 n 个自变量中的某一个看成变量,其余的 n- 1个自变量均视为常数,然后按一元函数的求导方法进行计算即可,
,)2,1( 3 22 处的偏导数在点求 yxyxz
)2,1(
22
)2,1( })()3(){( xxx yxyxx
z
)2,1(
22
)2,1( })()3(){( yyy yxyxy
z
8)32( )2,1( yx
7)23( )2,1( yx
例解由定义,此例也可用下列方式求解
8)46(d d 12)2,1(xxxxxz
7)31(d d 22)2,1(yyyyyz
000 d
),(d 0
),( xxyx x
yxf
x
z

但最好采用前一种方法,
)2,1( 3 22 处点yxyxz
,a r c ta n 的偏导数求 yxz?
xy
x
y
xx
z
2
1
1
,22 yx y?
yy
x
y
xy
z
2
1
1
,22 yx x
将 y 看成常数
y
1
将 x 看成常数
2y
x?
例解
,)0( 的偏导数求 xxz y
1 yxyxz )( 1 aa xax
ln xxyz y ln)( aaa xx
将 y 看成常数时,是对幂函数求导,
将 x 看成常数时,是对指数函数求导,
例解以上的叙述虽然是对二元函数元及其以上的多元函数中去,
进行的,但其结论可直接推广到三
,32 的偏导数求 zxyxeu; )1( 232 yexu zxyx; 232 yxeyu zxyx
,)3( 232 zezu zxyx
例解
,)0,0( 处的连续性和可偏导性在点
,则取 xky?
,1l i ml i m 2222
2
0
022
0
0 k
k
xkx
xk
yx
yx
y
x
y
x?

由 k 的任意性及极限的唯一性可知该极限不存在,
例解
,)0,0( ),( 处不连续在点故函数 yxf
),( yxf讨论函数
0 2222 yxyx xy
0 0 22 yx
但是
,00l im)0,0()0,(l im 00 xx x fxf
,00lim)0,0(),0(lim 00 yy y fyf
,0)0,0( xf
0)0,0(,) 0( ),( 2222 fyxyx xyyxf
,0)0,0( yf
,)0,0( ),( 且处可偏导在点即函数 yxf
想想是什么问题?
该例说明了一个重要问题:
对多元函数来说,函数的偏导数存在与否与函数的连续性无必然关系,
这是多元函数与一元函数的一个本质区别,
在热力学中,已知压强 P,体积 V 和温度 T 之间满足关系 PV = k T,其中,k
为常数,证明,,1PTTVVP
,V TVP 2k故从而
PTTVVP kkk V P V T2,1PVT k
例证
V
TP TPV kk 得由关系
,VPT,PTV kk类似可得警告 各位 !
偏导数的符号
yx?
,是一个整体记号,
z? 与 yx,的商,
不能像一元函数那样将
y
z
x
z
,看成是
x
y
z
O
1T
2T.
.
ta n),(
00
0

y
yxf
xx 平面上在
t a n
),(
00
0

x
yxf
yy 上在平面
),( 0yxfz?
),( 0 yxfz?
四,偏导数的几何意义
P
),( yxfz?
0x
0y
0P
),( 000 上的曲线就是平面 xxy yxf

0
1 I ),(
xx
yyxfz
,),(,000 处切线的斜率即点在点 yxyy?
),( 000 上的曲线就是平面 yyx yxf
,),(,000 处切线的斜率即点在点 yxxx?

0
I ),(
yy
xyxfz
二元函数的偏导数存在,只是表明函数沿 x 轴和 y 轴方向是连续的,而二元函数在一点处连续必须是沿空间的任何方向均连续,
故由偏导数存在不能推出函数连续,
偏导数的几何意义说明了一个问题,
),(),( 00 yxfyxf
,)),U ( (),( ),,( 002222 yx其中五,二元函数的微分中值定理定理,)),U ( ( ),( 00 则内可偏导在设函数 yxyxfz?
),( )),U ( (),( 1100 和至少存在一组点yxKyx
),( 22 使得
))(,())(,( 022011 yyfxxf yx
)),((U),( 00 yxyx?
)),((U),(),( 0000 yxyxyx?,
),(),( 00 yxfyxf )),(),(( 0 yxfyxf?
)),(),(( 000 yxfyxf
∵
∴
自己画画图就知道了由一元函数的拉格朗日中值定理,得
)( ),( ),(),( 010 xxx yfyxfyxf
)( ),(),(),( 020000 yyyxfyxfyxf
证
,,0 201 之间与在之间与在 yyxx
,),(),(,),(),( 2022111 则记 xy
))(,())(,(),(),( 02201100 yyfxxfyxfyxf yx
且有
2020201201 )()()()( yyxxyx
2020202202 )()()()( yyxxyx
,)),U ((),(,),( 001111 yx即由中值定理,可将函数的全增量表示为
),(),( 0000 yxfyyxxfz
))(,())(,( 022011 yyfxxf yx
定理以及该结论可以推广到三元和三元以上的函数中,