数二-多元函数可微性

article/2025/11/6 12:28:18

多元函数可微性

  • *全微分定义
  • f(x,y)可微性判断
  • 隐函数存在定理
  • 偏导数
    • 定义法
    • 公式法
    • 偏导数连续性判断
  • 极值
    • 无条件极值
    • 条件极值与拉格朗日乘数法
    • 二元函数在区域D下的最值

在这里插入图片描述

*全微分定义

z = f ( x , y ) 在 ( x , y ) 处的全增量 Δ a = A Δ x + B Δ y + o ( ρ ) 。 A , B 不依赖于 Δ x 、 Δ y 且仅与 x , y 有关。则称 z = f ( x , y ) 在 ( x , y ) 处可微。 z=f(x,y)在(x,y)处的全增量\varDelta a=A\varDelta x+B\varDelta y+o(\rho)。A,B不依赖于\varDelta x、\varDelta y且仅与x,y有关。则称z=f(x,y)在(x,y)处可微。 z=f(x,y)(x,y)处的全增量Δa=AΔx+BΔy+o(ρ)A,B不依赖于ΔxΔy且仅与x,y有关。则称z=f(x,y)(x,y)处可微。

称 A Δ x + B Δ y 为 z = f ( x , y ) 在 ( x , y ) 处的全微分。 称A\varDelta x+B\varDelta y为z=f(x,y)在(x,y)处的全微分。 AΔx+BΔyz=f(x,y)(x,y)处的全微分。

记作 d z = A Δ x + B Δ y = ∂ z ∂ x d x + ∂ z ∂ y d y \begin{aligned} 记作dz&=A\varDelta x+B\varDelta y\\ &=\cfrac{\partial z}{\partial x}dx+\cfrac{\partial z}{\partial y}dy \end{aligned} 记作dz=AΔx+BΔy=xzdx+yzdy

f(x,y)可微性判断

  1. 写出全增量 Δ z = f ( x 0 + Δ x , y 0 + Δ y ) − f ( x 0 , y 0 ) ; \varDelta z=f(x_0+\varDelta x,y_0+\varDelta y)-f(x_0,y_0); Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)f(x0,y0);
  2. 写出线性增量 A Δ x + B Δ y ,其中 A = f x ′ ( x 0 , y 0 ) , B = f y ′ ( x 0 , y 0 ) ; A\varDelta x+B\varDelta y,其中A=f_x'(x_0,y_0),B=f_y'(x_0,y_0); AΔx+BΔy,其中A=fx(x0,y0)B=fy(x0,y0);
  3. 作极限 lim ⁡ Δ x → 0 Δ y → 0 Δ z − ( A Δ x + B Δ y ) ( Δ x ) 2 + ( Δ y ) 2 = 0 ,则 z = f ( x , y ) 在 ( x 0 , y 0 ) 处可微。 \lim\limits_{\varDelta x\to0\atop \varDelta y\to0}\cfrac{\varDelta z-(A\varDelta x+B\varDelta y)}{\sqrt{(\varDelta x)^2+(\varDelta y)^2}}=0,则z=f(x,y)在(x_0,y_0)处可微。 Δy0Δx0lim(Δx)2+(Δy)2 Δz(AΔx+BΔy)=0,则z=f(x,y)(x0,y0)处可微。

隐函数存在定理

设函数 F ( x , y ) 在点 P ( x 0 , y 0 ) 的某一邻域内具有连续偏导数 , F ( x 0 , y 0 ) = 0 且 F y ′ ( x 0 , y 0 ) ≠ 0 , 则方程 F ( x , y ) = 0 在点 ( x 0 , y 0 ) 的某一邻域内 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 y 0 = f ( x 0 ) , 并有 d y d x = − F x ′ F y ′ . 设函数 F(x,y)在点P(x_0,y_0)的某一邻域内具有连续偏导数,\\ F(x_0,y_0)=0且F'_y (x_0,y_0)≠0,则方程F(x,y)=0在点(x_0,y_0)的某一邻域内\\ 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y_0=f(x_0),并有\cfrac{dy}{dx}=-\cfrac{F_x'}{F_y'}. 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)=0Fy(x0,y0)=0,则方程F(x,y)=0在点(x0,y0)的某一邻域内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dxdy=FyFx.

这里
F ( x 0 , y 0 ) = 0 F(x_0,y_0)=0 F(x0,y0)=0:函数值存在;
F y ′ ( x 0 , y 0 ) ≠ 0 F'_y (x_0,y_0)≠0 Fy(x0,y0)=0:偏导数值存在;

偏导数

f具有二阶连续偏导数,求导次序可以交换。

定义法

z = f ( x , y ) 在 ( x 0 , y 0 ) 处对 x 的偏导数 ; z=f(x,y)在(x_0,y_0)处对x的偏导数; z=f(x,y)(x0,y0)处对x的偏导数;

f x ′ ( x 0 , y 0 ) = lim ⁡ Δ x → 0 f ( x 0 + Δ x , y 0 ) − f ( x 0 , y 0 ) Δ x f_x'(x_0,y_0)=\lim\limits_{\varDelta x\to 0}\cfrac{f(x_0+\varDelta x,y_0)-f(x_0,y_0)}{\varDelta x} fx(x0,y0)=Δx0limΔxf(x0+Δx,y0)f(x0,y0)

公式法

f x ( x , y ) 直接对 x 求导 f_x(x,y)直接对x求导 fx(x,y)直接对x求导

偏导数连续性判断

  1. 定义法求 f x ′ ( x 0 , y 0 ) , f y ′ ( x 0 , y 0 ) ; f_x'(x_0,y_0),f_y'(x_0,y_0); fx(x0,y0),fy(x0,y0);
  2. 公式法求 f x ′ ( x , y ) , f y ′ ( x , y ) ; f_x'(x,y),f_y'(x,y); fx(x,y),fy(x,y);
  3. 计算 lim ⁡ Δ x → x 0 Δ y → y 0 f x ′ ( x , y ) , lim ⁡ Δ x → x 0 Δ y → y 0 f y ′ ( x , y ) ; \lim\limits_{\varDelta x\to x_0\atop \varDelta y\to y_0}f_x'(x,y),\lim\limits_{\varDelta x\to x_0\atop \varDelta y\to y_0}f_y'(x,y); Δyy0Δxx0limfx(x,y),Δyy0Δxx0limfy(x,y);
  4. lim ⁡ Δ x → x 0 Δ y → y 0 f x ′ ( x , y ) = f x ′ ( x 0 , y 0 ) , lim ⁡ Δ x → x 0 Δ y → y 0 f y ′ ( x , y ) = f y ′ ( x 0 , y 0 ) ,则 z = f ( x , y ) 在 ( x 0 , y 0 ) 处连续。 \lim\limits_{\varDelta x\to x_0\atop \varDelta y\to y_0}f_x'(x,y)=f_x'(x_0,y_0),\lim\limits_{\varDelta x\to x_0\atop \varDelta y\to y_0}f_y'(x,y)=f_y'(x_0,y_0),则z=f(x,y)在(x_0,y_0)处连续。 Δyy0Δxx0limfx(x,y)=fx(x0,y0),Δyy0Δxx0limfy(x,y)=fy(x0,y0),则z=f(x,y)(x0,y0)处连续。

极值

无条件极值

  1. 二元函数取极值的必要条件;
    设 z = f ( x , y ) 在 ( x 0 , y 0 ) { 一阶偏导数存在 取极值 ,则 f x ′ ( x 0 , y 0 ) = 0 , f y ′ ( x 0 , y 0 ) = 0. 设z=f(x,y)在(x_0,y_0)\begin{cases} 一阶偏导数存在 \\ 取极值 \end{cases},则f_x'(x_0,y_0)=0,f_y'(x_0,y_0)=0. z=f(x,y)(x0,y0){一阶偏导数存在取极值,则fx(x0,y0)=0,fy(x0,y0)=0.
  2. 二元函数取极值的充分条件;
    { f x x ′ ′ ( x 0 , y 0 ) = a f x y ′ ′ ( x 0 , y 0 ) = b f y y ′ ′ ( x 0 , y 0 ) = c , Δ = a c − b 2 { > 0 ⇒ 极值 { a < 0 ⇒ 极大值 a > 0 ⇒ 极小值 < 0 ⇒ 非极值 = 0 ⇒ 方法失效 \begin{cases} f_{xx}''(x_0,y_0)=a \\ f_{xy}''(x_0,y_0)=b\\ f_{yy}''(x_0,y_0)=c \end{cases},\varDelta = ac-b^2\begin{cases} \gt0\rArr极值\begin{cases} a<0\rArr极大值 \\ a>0\rArr极小值 \end{cases}\\ \lt0\rArr非极值\\ =0\rArr方法失效 \end{cases} fxx′′(x0,y0)=afxy′′(x0,y0)=bfyy′′(x0,y0)=c,Δ=acb2 >0极值{a<0极大值a>0极小值<0非极值=0方法失效

条件极值与拉格朗日乘数法

求 u = f ( x , y , z ) 在条件 { φ ( x , y , z ) = 0 Φ ( x , y , z ) = 0 下的最值。 求u=f(x,y,z)在条件\begin{cases} \varphi(x,y,z)=0\\ \varPhi(x,y,z)=0 \end{cases}下的最值。 u=f(x,y,z)在条件{φ(x,y,z)=0Φ(x,y,z)=0下的最值。

  1. 构造辅助函数 F ( x , y , z , λ , μ ) = f ( x , y , z ) + λ φ ( x , y , z ) + μ Φ ( x , y , z ) . 构造辅助函数F(x,y,z,\lambda,\mu)=f(x,y,z)+\lambda\varphi(x,y,z)+\mu\varPhi(x,y,z). 构造辅助函数F(x,y,z,λ,μ)=f(x,y,z)+λφ(x,y,z)+μΦ(x,y,z).
  2. { F x ′ = f x ′ + λ Φ x ′ + μ φ x ′ = 0 F y ′ = f y ′ + λ Φ y ′ + μ φ y ′ = 0 F z ′ = f z ′ + λ Φ z ′ + μ φ z ′ = 0 F λ ′ = Φ ( x , y , z ) = 0 F μ ′ = φ ( x , y , z ) = 0 \begin{cases} F_x'=f_x'+\lambda\varPhi_x'+\mu\varphi_x'=0\\ F_y'=f_y'+\lambda\varPhi_y'+\mu\varphi_y'=0\\ F_z'=f_z'+\lambda\varPhi_z'+\mu\varphi_z'=0\\ F_{\lambda}'=\varPhi(x,y,z)=0\\ F_{\mu}'=\varphi(x,y,z)=0 \end{cases} Fx=fx+λΦx+μφx=0Fy=fy+λΦy+μφy=0Fz=fz+λΦz+μφz=0Fλ=Φ(x,y,z)=0Fμ=φ(x,y,z)=0
  3. 解上述方程得若干点 ( x 0 , y 0 , z 0 ) … ( x n , y n , z n ) ,取 u m a x o r u m i n . 解上述方程得若干点(x_0,y_0,z_0)\dots(x_n,y_n,z_n),取u_{max}\ \ \ or\ \ \ u_{min}. 解上述方程得若干点(x0,y0,z0)(xn,yn,zn),取umax   or   umin.

二元函数在区域D下的最值

①只需求出D的内部及 ⇒ 无条件极值问题,求出 f x ′ = 0 , f y ′ = 0 的所有可疑点。 \rArr无条件极值问题,求出f_x'=0, f_y'=0的所有可疑点。 无条件极值问题,求出fx=0,fy=0的所有可疑点。
②D的边界 ⇒ { 直接带入求驻点或导数不存在的点 拉格朗日乘数法 \rArr\begin{cases} 直接带入求驻点或导数不存在的点 \\ 拉格朗日乘数法 \end{cases} {直接带入求驻点或导数不存在的点拉格朗日乘数法
上的驻点导数不存在的点(不用判断它们是否为极值点),
并求出这些点的函数值,然后比较它们的大小,求出最大值和最小值.


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