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复合函数微分法之一

下一节:复合函数微分法之二

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复合函数微分法之一课程教案、知识点、字幕

好 这一节我们来介绍一下

如何求多元函数的偏导数

或者是全微分

也就是要介绍一下多元函数的微分法

我们先看一下

多元函数它复合运算时

它的全微分运算

所以我们介绍一下

复合函数的全微分

在一元函数时

我们曾经得到过

一元复合函数导数运算的链导法则

对于多元函数来说

我们有类似的结论

我们写成定理

若函数z等于f(u,v)可微

而且函数u等于φ(x,y)

和v等于ψ(x,y)也可微

则复合函数z等于

f(φ(x,y),ψ(x,y))是可微的

而且它的偏导数

偏z偏x应该等于

偏f偏u乘上偏φ偏x

加上偏f偏v乘上偏φ偏x

它关于y的偏导数偏z偏y

等于偏f偏u乘上偏φ偏y

再加上偏f偏v乘上偏ψ偏y

第一个是在(u,v)这点取值

第二个在(x,y)这点取值

这就是所谓的复合函数的全微分

或者是它的偏导数的计算

在这里面 我们加的条件是

外层函数可微

两个内层函数也都可微

所以我们得到的结论

是复合函数是可微的

而且它们的偏导数计算

有这样的公式

这就是所谓 多元复合函数

偏导数的链导法则

也就是外层函数关于第一个变量求导

乘上第一个变量关于自变量x求导

再加上外层函数关于第二个变量求导

再乘上第二个变量关于自变量x求导

这就是复合函数关于x的偏导数

关于y的偏导数一样

就是外层函数关于第一个变量求导

乘上第一个变量关于y这个变量求导

加上外层函数关于v这个变量求导

再乘上v这个变量关于y这个自变量求导

所以说 这个链导法则作为一个结论

实际上它跟一元函数的链导法则是一样的

一元函数因为只有一个中间变量

所以说 它只有一项

而多元函数它有多个中间变量

所以应该是有多项

而每一项的结构都与

一元函数的链导法则是相同的

接下来我们对这个结论

给出一个证明

首先我们要搞清楚

我们要证什么

实际上 我们是要证

z作为x y的函数是可微的

也就是说 我们要证

当x y有了改变量Δx和Δy之后

我们来看一看这个复合函数的

函数值z它的改变量

能够表示成什么样子

而作为复合函数

x和y的改变首先影响的

应该是u v的改变

而u v的改变进一步影响到了

就是 函数值z的改变

所以说它整个的改变过程

应该是这个样子的

z就从z改变到了z加Δz

那我们看一下

第一个说外层函数可微

也就是因为f(u,v)是可微的

那我们想一下

我们曾经得到了

函数在一点可微的充分必要条件

也就是说 我们的Δz就等于

偏f偏u在(u,v)这点取值 乘上Δu

再加上偏f偏v在(u,v)这点取值

再乘上Δv

再加上ε1乘上Δu

再加上ε2乘上Δv

其中ε1 ε2是

ΔuΔv趋向于零时的无穷小量

同样 因为我们φ(x,y)

和ψ(x,y)也都是可微函数

就是说 又φ(x,y) ψ(x,y)

也都是可微的

所以我们就会得到

Δu应该等于

偏φ偏x在(x,y)这点取值 乘上Δx

再加上偏φ偏y在(x,y)这点取值

乘上Δy

再加上一个α1Δx

再加一个α2乘上Δy

其中α1 α2是

ΔxΔy趋向于零时的无穷小量

类似的 Δv就等于

偏ψ偏x在(x,y)这点取值

乘上Δx

加上偏ψ偏y在(x,y)这点取值

乘上Δy

再加上β1Δx加上β2Δy

β1 β2是

ΔxΔy趋向于零时的无穷小量

我们把这个关系式

比如说记成是第一式

这个记成第二式

这个是第三式

现在我们把第二式中的Δu

往第一式中代进去

第三式的Δv也代到第一式中去

我们分别以Δx做公因子

和Δy做公因子进行合并

我们就会整理出

Δz应该等于 我们看一下

这里有个Δu 所以这有Δx

把Δx提出去剩下的应该就是

偏f偏u乘上偏φ偏x

我把那个点都省掉 简写一下

这是乘上它

另外这个地方有一个Δv

这Δv里面有个Δx

所以把Δx提出去

应该剩下了这两项

也就是偏f偏v

再乘上偏ψ偏x

Δx提出去

当然除了这两项之外

与Δx有关的还有其它许多项

比如说Δu往这代时 这有Δx

所以后面应该有

偏f偏u乘上α1

就是这一项

另外Δv往这代时

这还有Δx

所以应该再加上

偏f偏v再乘上一个β1

除此之外 我们Δx还有的往这代

比如说我们Δu往这代的时候

那么这里有Δx 这有Δx

所以说 这个地方应该是有

偏φ偏x加上α1这面乘上ε1

这都与Δx有关

然后我们Δv往这个地方代的时候

那么这个Δx和这个Δx也是有的

也就是加上偏ψ偏x

再加上β1 再乘上ε2

所以后面与Δx有关的

应该是还有那么多项

类似的 我们可以把与Δy有关的写出来

前面的Δu代进去 这里有一项

就是偏f偏u乘上偏φ偏y

把Δv代进去 我们会得到

偏f偏v乘上偏ψ偏y Δy

后面的跟Δx一样

我们都给它写出来

写出来之后我们就把

在x y发生了改变之后

复合函数函数值的改变量

应该说写成了两部分

前面 这应该是加号

前面 就是这两项加起来

因为括号里面

都是与Δx Δy无关的

所以前面就是Δx Δy的线性组合部分

后面 我们先看这一项

这一项 因为ΔxΔy趋向于零时

我们u=φ(x,y)和v=ψ(x,y)

都是可微函数

所以说它是连续的

也就是说 Δx Δy趋向于零时

Δu和Δv都是趋向于零的

好 我们看一下

Δx Δy趋向于零时

这是趋向于零的

所以这个乘积是趋向于零的

Δx Δy趋向于零时

β1也是趋向于零的

所以这两项已经趋向于零了

在这里面 这个地方

Δx Δy趋向于零时

它是趋向于这个常数的

而这个ε1

在Δx Δy趋向于零时

因为Δu Δv也趋向于零

所以说ε1也趋向于零

类似的 后面这项也趋向于零

换句话说 我们这个就可以这样写

写成一个 前面是个组合形式

我就再抄一遍

偏f偏u偏φ偏x加上

偏f偏v偏ψ偏x Δx

再把这一项加上

就是偏f偏u偏φ偏y

再加上偏f偏v再乘上偏ψ偏y Δy

刚才我们讨论的Δx的系数

我们可以用一个ε来表示

其中ε在Δx Δy趋向于零时

是趋向于零的

类似的我们可以讨论

Δy前面的系数

我们可以用一个α来表示

而且α在Δx Δy趋向于零时

极限也是零

这样我们就证明了

在给定条件下

当自变量有变化时

复合函数函数值的改变量

写成了自变量改变量的线性组合部分

和后面

它组合系数是无穷小量的这个形式

根据我们前面证明过的

函数在一点可微的充分必要条件

我们就说清楚了

这个函数在这一点是可微的

而且前面这一部分就是它的全微分

Δx和Δy的系数

就是复合函数关于

自变量x和关于自变量y的偏导数

也就是我们要证的这个链导法则

这是关于复合函数在一点可微的结论

以及它的偏导数计算公式

好 我们已经给出了

复合函数全微分的计算公式

接下来 我们来说这么几件事情

第一个 我们看这个例子

也就是f(u,v)等于u方乘上v

除上u方加v方

这是在(u,v)不是原点的情况下

如果(u,v)是在原点的时候

我们把它定义成零

我们再看两个函数

u等于x

v等于x

现在有这个三个函数

我们可以得到一个复合函数

z等于f(x,x)

那我们看一下

对这个具体的函数来说

这个复合函数的表达式是什么

u v都等于x

我们把它放到这里面来

也就是说 在x不等于零时

它的表达式是二分之一倍的x

这是x不等于零时

x等于零 也就是(u,v)在原点的时候

它的值等于零

当然 大家知道

这个分段表示

自然可以写成一个表达式

就是无论x等零不等于零

它都是二分之一倍的x

那么对这个复合函数

我们可以求它的微分

在x等于零这点的值

根据一元函数微分计算公式

应该就等于

z关于x的导数 在零这点的值 乘上dx

也就等于二分之一乘上dx

我想 这样我们就得到了

这个简单复合函数的微分值

接下来 我们一起来做一下

这个表达式的值

这个表达式也就是

偏f偏u在(0,0)点取值

乘上du dx在x等于零这点取值

再加上偏f偏v在(0,0)点取值

再乘上 就是

dv dx在x取零这点取值

就是f(u,v)这个函数

在(0,0)点

它关于u关于v的偏导数

在前面的问题里面

我们已经碰到过这个函数

实际我们用定义可以求出来

这个函数在原点

关于u和关于v的偏导数都是零

而u关于x和v关于x

在x等于零时的导数值都是一

所以说

这个表达式的值应该是等于零的

那我们举这个例子想说明什么

如果我对这个复合函数

直接用链导法则的时候

我会得到这个函数

它在这一点的全微分值

应该等于 就是

它这个 关于x的导数值 再乘上dx

这样子的时候

我用这个公式最后求出来的

最后应该是零

而我把它复合函数的函数表达式求出来

我会发现它的微分值

实际是二分之一倍的dx

这两个结果里面

至少有一个是错误结果

实际上 上面这个结果

因为求复合函数的表达式是初等运算

它不会有问题

而做微分计算的时候

是用的一个简单函数求导

自然也不会有问题

所以说上面这个结果是对的

下面这个结果就是错的

为什么下面这个结果是错的

因为我们用的是复合函数的链导法则

来求的偏导数

而复合函数的链导法则

是需要有条件的

比如说外层函数一定是可微的

那在我们这个例子里面

大家回忆一下

我们是不是讨论过这个函数

在原点 尽管它的偏导数都等于零

甚至它还是连续函数

但是它在原点是不可微的

也就是说

这个例子里面

我们并不满足链导法则的条件

自然不能保证利用链导法则

得到的结果是正确的

也就是通过这个例子提醒大家

在做计算时

一定要注意我们的条件满足不满足

接下来 就是我们一般

在多元函数链导法则

我做一个注意事项写一下

比如说 如果

z是等于f(u1,u2,...,um)

也就是一个m元函数

而我们的uk可以写成是一个

uk(x1,x2,...,xn)是个n元函数

这个地方k等于1,2一直到m

这时候 我们利用这些函数

可以得到一个复合函数z等于

f(u1(x1,...,xn),u2(x1,...,xn),...,um(x1,...,xn))

如果我们条件都是满足的

比如说如果这些函数都是可微函数

那我们知道

这个复合函数也是可微的

现在我们来求一求偏z偏xi

就是求这个

关于第i个自变量的偏导数

它的计算公式应该是

外层函数f关于第一个分量

也就是自变量求偏导

再乘上

第一个 也就是u1关于xi求偏导

再加上偏f偏u2

再乘上偏u2偏xi

一直加到偏f偏um

再乘上偏um关于偏xi求偏导

这就是关于第i个自变量求偏导

我们知道 因为它有m个中间变量

所以说有m项做和

而每一项

因为它是有两个函数做复合

所以有两个因子乘积

其中 这个i可以取1

就是对x1求偏导

对x2求偏导

一直对xn求偏导

这就是多元复合函数

一般的情况下

它的偏导数的计算

另外一件事情

在一元函数我们曾经碰到过

所谓一阶微分形式的不变性

那么我们看一下

这个性质对多元函数来说

是不是还保持着

也就是说

如果我考虑f(u,v)是一个二元函数

我要求它的全微分的时候

dz应该等于偏f偏u du

再加上一个偏f偏v dv

偏导数都是在(u,v)点取值

这是根据全微分的计算公式

我们得到的一个结果

现在我们如果假设这样

z是u v的函数

但是u和v都是x y的函数

当然 我们假设这三个函数都是可微的

现在 利用这三个函数

我们就得到了

这么一个新的二元函数

是x y的二元函数

如果在它们都是可微的前提下

我们来求这个复合函数的全微分

dz也就应该等于

偏z偏x乘上dx

再加上偏z偏y乘上dy

根据复合函数的链导法则

偏z偏x应该就是偏f偏u

再乘上偏φ偏x

再加上偏f偏v

再乘上偏ψ偏x 这是dx

再加上偏z偏y就是

偏f偏u偏φ偏y

再加上偏f偏v偏ψ偏y 再乘上dy

现在我们看一下

我们以偏f偏u做公因子做一个整理

也就等于偏f偏u

这边有一个偏φ偏x乘上dx

这有一个

加上偏φ偏y乘上dy

与偏f偏v有关的项

加上偏f偏v提出来

这边是一个偏ψ偏x乘上dx

再加上一个偏ψ偏y乘上dy

那大家看一下

这个括号跟这个括号

是不是正好是我们这个函数它的全微分

也就是说这第一个括号

应该就是du

而第二个括号 自然应该是dv

也就是 写出来就是

偏f偏u乘上du

再加上偏f偏v乘上dv

那我们看一下

如果u v就是自变量时

我们求这个函数的全微分

得到的是这个表达式

如果u v是中间变量时

我们仍然得到了

这个形式的表达式

而这两个表达式

在形式上看

是完全一样的

这就是所谓 多元函数

它的一阶全微分形式的不变性

这是在我们做微分计算时

很重要的一个性质

就是利用一阶微分形式不变性

我们可以由内及外

一层一层的去求它的微分

从而得到我们需要的量

当然 大家可能要问

在这两个形式里面

它没有体现出

u v到底是中间变量还是自变量

而作为自变量和中间变量来说

它应该是不同的

实际上它的区别是这样子的

如果u v是自变量

那么它们的微分就是它们的改变量

du就是Δu dv就是Δv

而如果u v是中间变量的时候

那么它们的微分

仅仅是它改变量的主要部分

也就是说

尽管形式上看不出差别来

但本质上 自变量和中间变量

当然是不一样的

微积分——多元函数与重积分课程列表:

第一章 多元函数微分学

-第一节 多元连续函数

--向量的内积与长度-1

--向量的内积与长度-2

--R^n中的点列的收敛性

--内点、外点、边界点-1

--内点、外点、边界点-2

--开集、闭集、区域

--多元函数的有关概念

--二重极限的定义

--二重极限的例题

--二次极限的定义

--连续与一致连续的定义

--连续函数的性质-1

--连续函数的性质-2

--连续函数的性质-3

-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

--混和偏导数与求导顺序无关的条件

-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

--复合函数微分法之一

--复合函数微分法之二

--复合函数求导数(举例)

--隐函数存在定理

--隐函数求导法(举例)

--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

--梯度向量的概念与计算

-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

--映射与连续映射的概念

--映射的导数、微分、雅克比矩阵

--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)

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式-2

--二元函数带有Lagrange型余项的泰勒公式

-第一章 多元函数微分学--第七节练习题

第二章 多元函数微分学应用

-第一节 多元函数微分学的几何应用

--空间曲线的切线与法平面(之一)

--空间曲线的切线与法平面(之二)

--空间曲线的切线与法平面问题举例

--曲面的切平面与法线(之一)

--曲面的切平面与法线(之二)

--曲面的切平面与法线(之三)

--曲面的切平面与法线问题举例

-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

--极值点的概念和必要条件

--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

--二元函数条件极值问题的提法

--三元函数条件极值问题的提法(之一)

--三元函数条件极值问题的提法(之二)

--条件极值问题的直接解法

--条件极值问题的Lagrange解法

--条件极值问题举例

--多元函数在有界闭域上的最值

--最小二乘法

-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题

第三章重积分

-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

--关于二重积分性质的例题

-第二节 二重积分的计算

--二重积分的计算:直角坐标系(1)

--二重积分的计算:直角坐标系(2)

--二重积分的计算:直角坐标系(3)

-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

--二重积分的一般坐标变换公式

--二重积分的计算:极坐标系

--二重积分的计算:极坐标系例题

--二重积分的计算:一般坐标系例题

-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

--三重积分的计算:例题(1)

--三重积分的计算:例题(2)

--空间坐标变换

--空间柱坐标系

--空间柱坐标系例题(1)

--空间柱坐标系例题(2)

--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

--第一类曲线积分的引入

--第一类曲线积分的定义

--第一类曲线积分的性质

--第一类曲线积分的计算公式

--第一类曲线积分的计算例题

-第三章重积分--第五节 练习题

-第六节 第一类曲面积分

--第一类曲面积分的引入

--第一类曲面积分的定义

--第一类曲面积分的性质

--第一类曲面积分的计算公式

--第一类曲面积分的计算例题(1)

--第一类曲面积分的计算例题(2)

-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

--广义含参积分的连续性和积分导数

-第三章重积分--第七节 练习题

第四章 向量分析

-第一节 第二类曲线积分

--第二类曲线积分的引入

--第二类曲线积分的定义

--第二类曲线积分的性质第二类曲线积分的性质

--第二类曲线积分的性质

-第四章 向量分析--第一节 练习题

-第二节 Green公式及其应用

--平面第二类曲线积分:Green公式

--平面第二类曲线积分的计算:利用Green 公式

-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

--第二类曲面积分的引入

--第二类曲面积分的定义与性质

--第二类曲面积分的计算

-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

--第二类曲面积分的计算:Gauss公式

--Stokes公式及其应用

-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

第五章 常微分方程

-第一节 微分方程的基本概念

--微分方程概念举例

--微分方程的基本概念

--一阶微分方程定解问题解的存在唯一性

-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

--可化为齐次型方程的方程

--一阶线性微分方程的概念和解的性质

--一阶线性微分方程的解法

--Bernoulli方程

--可降阶方程(之一)

--可降阶方程(之二)

-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

--线性微分方程解的性质

--函数组线性相关(无关)的概念

--函数组线性相关的必要条件

--线性微分方程解函数组线性相关的判别法

--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

--视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法

--n阶线性齐次微分方程的特征法

-- 线性齐次微分方程的特征法举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之一)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法(之二)

--欧拉方程

--欧拉方程举例

-第五章 常微分方程--第四节 练习题

复合函数微分法之一笔记与讨论

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