当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第一章 多元函数微分学 > 第三节 多元函数的全微分 > 可微的充分条件
前面我们介绍了
函数在一点可微时
全微分的计算公式
但是 函数在一点什么时候可微
我们有没有比较方便的办法
来判断一个函数在一点是否可微
这就是我们这一节要介绍的内容
函数在一点可微的一个充分条件
关于这个结论
我们给出一个定理
我们设二元函数f(x,y)
在(a,b)这一点及其附近有定义
如果f(x,y)关于x和关于y的
一阶偏导数
都在(a,b)这一点是连续的
那么这个二元函数f(x,y)
在这个一点(a,b)处就是可微的
这就是函数在一点是否可微
我们常用的一个判别方法
也就是 我们通过判断
它关于x和关于y的两个一阶偏导数
在这一点是否连续
来说明它是否可微
那我们看一下
怎么来证明这个结论
我们要证明它在这一点可微
也就是要证明
它在这一点的函数值的改变量
也就是这两点函数值的差
是否能够表示成
自变量改变量的线性部分和
这两点距离的高阶无穷小部分之和
因为这两个点
它并不见得一定在
位于坐标轴的直线上
而我们给的条件是偏导数的条件
而偏导数只能处理
位于平行于坐标轴直线上
这样的函数的性质
所以为了用上条件
我们把这两个点通过第三点
把它转化成
平行于坐标轴直线上的点的关系
我们就是在这减一个点
加一个点就行了
这是(a+Δx,b+Δy)
再减掉f 这个地方是(a,b+Δy)
为了保持恒等 给它加上一项
f(a,b+Δy)再减掉f(a,b)
然后我们前面这两项
我们作为第一项
后面这两项我们作为第二项
我们先看第一个中括号
第一个中括号在这个二元函数
第二个自变量位置上都是b+Δy
它是常数
而第一个变量的位置上
分别是a+Δx 和a
所以我们这一个中括号
可以理解成是一个一元函数
在两点值的差
那么根据一元函数的微分中值定理
我们就可以把第一个表示成
偏f偏x在(a+αΔx,b+Δy)这点取值
第二个分量不动 再乘上Δx
类似的 我们看第二个中括号
它实际上 f的第一个
自变量位置上都是a
而第二个自变量位置上
一个是b+Δy一个是b
所以这个我们可以理解成是
一个一元函数在这两点值的差
我们仍然用一元函数的
Lagrange中值定理
它就应该等于
这个一元函数 实际上就是
y是自变量 它关于y的偏导数
在这一点取值 也就是(a,b+βΔy)
再乘上两点之差Δy
在这里面αβ都是
介于零到一之间的一个数
那当然 我们要用Lagrange中值定理
自然它该满足这个定理的条件
实际上也就是要求
在我们考虑的范围里面
这个关于x的一元函数导数要存在
而这里面关于y的一元函数
导数也应该存在
因为在我们定理中
我们给的条件是这两个偏导数
在这点处是连续的
那么这自然意味着
这个f(x,y)关于x和关于y的
偏导数在这一点附近都是存在的
所以说 只要我们这个ΔxΔy的
绝对值足够小
那么 我们用到的一阶
一元函数导数导数存在性
应该是满足的
也就是说 这个等号是可以成立的
接下来因为它一阶偏导数在(a,b)连续
所以说 ΔxΔy趋向于零时
这个的极限应该就是
它关于x的偏导数在(a,b)点的值
类似的 这个的极限
应该就是它关于y的偏导数
在(a,b)这一点的值
那么根据极限与无穷小的关系
我们就可以把第一个写成是这样子的
偏f偏x在(a,b)这点的值
加上一个ε1然后(Δx,Δy) 再乘上Δx
再加上一个偏f偏y(a,b)
加上一个ε2(Δx,Δy) 乘上Δy
其中 就是说 这个ε1 ε2
是在ΔxΔy趋向于零时
极限是零的表达式或者叫无穷小量
所以说如果它的极限是它
它自然就可以写成它的一个极限
加上一个无穷小量的形式
第二个是类似的
这样我们就写出了这个样子
也就是说 偏f偏x(a,b)乘上Δx
加上偏f偏y这是f(a,b)乘上Δy
后面 我们写的简单点
就是ε1乘上Δx加上ε2乘上Δy
因为ε1 ε2都是无穷小量
我们可以很容易的证明
这个表达式除上根下Δx方加Δy方之后
极限还是零
所以说我们直接把这部分表示成
小o(ρ) ρ是两点间的距离
这样 根据可微的定义
我们就知道 函数在(a,b)这点是可微的
自然这个自变量的改变量的一次方部分
就是这个函数在这点的微分值
所以说 在给出了偏导数连续的条件下
我们利用全微分的概念
就证明了函数在这一点全微分是存在的
它的大小是什么
我想这是这个例题
有了这个例题之后
那我们做下面这个例题就可以了
第一个 也就是说
z等于一个x乘y
我来求这个函数在原点处的全微分
那我们的做法就是这样 就是说
偏z偏x是等于y的
偏z偏y应该是等于x
那么我们知道 这个两个一阶偏导数
它实际上是连续函数
也就是因为这两个偏导数都是连续的
所以我们知道 这个函数z等于x乘y
在任何一点都是可微的
特别的 在这一点是可微的
而且它的全微分dz在原点这点的全微分
应该就等于
这个偏导数在原点的值 实际是零
乘上Δx 再加上这个偏导数
在原点的值 还是零 乘上Δy
所以就等于零
我想 这样我们就说清楚了
为什么这个函数在原点
它的全微分是存在的
它的全微分的大小是什么
这是一个例题
接下来 我们考虑第二个例题
我们看这个函数f(x,y)等于
x方加y方乘上sin x方加y方分之一
然后这是在(x,y)不在原点取值时
在原点取值 我们把它定义成零
那么对这个函数
我们讨论它在原点的可微性
以及它在原点一阶偏导数是否连续
考虑这两个问题
那么讨论可微性我们就这样来看
这个函数在原点当然是连续的
因为它的极限就是零 就是函数值
同时这个函数在原点关于x的偏导数
我们用偏导数的定义可以求出来
它应该等于零
它在原点关于y的偏导数
我们仍然用定义求出来还是零
求完之后 那么根据前面
我们曾经讨论过的一种方法
我们就来看 这个函数
它在原点的函数值的改变量
是不是可以写成 就是
偏f偏x(0,0)乘上Δx
加上偏f偏y(0,0)乘上Δy
再加上小o根下Δx平方加上Δy的平方
如果这个等号成立
说明它就是可微的
等号不成立 说明它是不可微的
在这个具体的题目里面
这一项等于零
而这个我们可以求得出来
所以我们主要就是看
Δx趋向于零Δy趋向于零时
这一个就是Δx的平方加上Δy的平方
除上 就是这个距离 也就是
Δx的平方再加上Δy的平方
我们还把这个因子再写进来
就是sin Δx平方加上Δy平方分之一
我们就看一下这个表达式
在这个极限过程下 极限是不是零
实际上 这两个一除
它剩下的应该就是这个距离
距离在这个极限过程下
自然是趋向于零的
而这一边是一个有界变量
所以无穷小量与有界变量的乘积
自然还是无穷小量
也就是说 因为这个关系式成立
所以我们证明了这个函数值的改变量
可以写成这两部分之和
从而说明了这个函数在原点是可微的
最后一件事情 我们来看一下
它的偏导数的连续性
我们只看一个 比如说
我们来求一求偏f偏x
偏f偏x 如果在原点的时候
实际上刚才我们已经说过
我们用偏导数定义可以证明
它在原点的偏导数值是存在的
而且就等于零
如果不在原点的时候
我们用导数运算去求一下
两个因子相乘
第一个因子关于x求导是两倍x
第二个因子不动
再加上第一个因子不动
第二个因子求导是个简单复合求导
cos x方加y方分之一 再乘上
x方加y方分之一关于x求偏导
求偏导以后 也就是乘上
负的两倍x x方加y方括起来的平方
这是个加号
这样就是说 后面这一部分
我们这个因子与这个平方项消掉
消掉完之后 我们来看一下
x y趋向于零时
这个一阶偏导数有没有极限
如果有极限时 它的极限是不是零
x y趋向于零时 这一项是趋向于零的
无穷小量与有界变量的乘积
而第二项 这是一个有界变量
而这一边 除了负号之外
是两倍的x除上x方加y方
那么大家知道 x除上x方加y方
如果我让y等于x的时候
那应该就是x除上两倍的x方
或者说就是 两倍的x分之一
那么x趋向于零时
它当然是一个无穷大量
这是一个在正负一之间
来回震荡的因子
而这个因子
再沿着直线y等于x趋向于原点时
是个无穷大量 我们就知道
这第二项是没有极限的
第一项极限是零
那么 根据极限的加和运算
我们就推出来
整个和式是没有极限的
也就是我们很容易分析清楚
在x趋向于零y趋向于零时
偏f偏x (x,y)它这个极限是不存在的
极限不存在 所以说
它的一阶偏导数在原点
是没有连续性的
那么这个例子说明
我们刚才这个定理里面
一阶偏导数连续这个条件
仅仅是函数在这点可微的一个充分条件
即使它的一阶偏导数不连续
函数也有可能在这点是可微的
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
-第一节 二重积分的概念和性质
--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题