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 > 第四节 多元函数的微分法 > 复合函数微分法之一
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
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