当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第二章 多元函数的极限理论 > 第一节 多元函数 > 多元函数
同学 你好
欢迎来到中国大学先修课
《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大 微积分老师 宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
本讲 我们来学习多元微积分中的研究对象
多元函数
在单变量微积分中
我们研究了一元函数的分析性质
就表现形式而言
一元函数又分为显式函数
也就是具有显式表达式的
参数方程
也就是利用参数方程给出的
变量之间的依赖关系
隐式函数
也就是利用变量所满足的方程
确定变量之间的依赖关系
这些不同表现形式
都是确定因变量y
与一个自变量x的依赖关系
在许多实际问题中
往往需要研究因变量
与多个自变量之间的依赖关系
例如 某种商品的市场需求量
不仅仅与其市场价格有关
而且与消费者的收入水平
以及这种商品的
其它代用品的价格等因素有关
要全面研究这类问题
就需要引入多元函数了
这就是本课程的研究对象
考察空间中的一个圆柱体
由底半径和高唯一确定
因此 圆柱体的体积和表面积等几何量
就依赖于它的底半径和高
由立体几何
我们可以写出它们的依赖关系
物理恒定电流的欧姆定律
刻画了电路中电压
电流和电阻之间的关系
利用电压表测出的电压
和用电流表测出电流
可以得到用电器的电阻值
由此 可以抽象出数学上的二元函数
如果从两个自变量x和y
可以得到因变量z
这就是二元函数
与一元函数类似
明确一个二元函数
需要指明它的定义域 值域
以及函数关系式
不同的是
二元函数的定义域是平面上的点集D
二元显式函数也具有单值性
也就是对于定义域内的任意一点(x,y)
存在唯一的z=z(x,y)与之对应
这反应到函数图像上
有什么特点
考察二元显式函数z=√x²+y²
它的定义域 值域分别是多少
它的图像是什么样的
这个函数的自然定义域是整个平面
值域是z≥0
由点(x,y,√(x²+y² ))描出二元函数的图像
它是空间中的一张曲面
具体地
它什么样的曲面
由函数表达式的特点
提示我们考虑柱坐标系
在柱坐标系下
上述函数的表达式变为z=r
画出柱坐标系下的函数图像
同学 你认出来它是什么样的曲面了吗
对 是锥面的上半部分
仔细观察直角坐标系
和柱坐标系下函数图像
它们的形状有一点点不一样
图像的纹理也不一样
你能给出合理的解释吗
为了更好刻画二元函数的变化细节
我们可以采用画出二元函数的等高线
即二元函数取不同常数值时
自变量的变化曲线
对于二元显式函数z=√(x²+y² )
令z=C常数
则C一定大于等于零
当C等于零时
(x,y)只能是原点
当C大于零时
(x,y)在以原点为圆心的圆周
当C变化时
这个二元函数的等高线是一族同心圆
类似气象学中的气压分布图
等高线的疏密表达的是函数的变化快慢
也就是
等高线越密集的地方
函数变化越快
等高线越稀疏的地方
函数变化越慢
我们来看椭圆面方程
它是一个关于变量x y z的方程
它并没有指明哪个变量是因变量
哪个变量是自变量
一般地 我们以x,y为自变量
z为因变量
这样 它的定义域是xoy平面上的一个椭圆
值域是|z|≤3
由此可以抽象出一般的
二元隐式函数概念
由一个关于x,y,z的方程
所确定的因变量与自变量之间的依赖关系
就称为一个二元隐式函数
一般地 其图像称为隐式曲面
对于一个二元显式函数z=√(x²+y²)
移项可得一个关于变量x y z的方程
也就是一个二元隐式函数
反之 从一个二元隐式函数
一定可以解出二元显式函数吗
对于空间中的一个球面
我们可以以球心为原心
建立球坐标系和直角坐标系
利用球坐标系和直角坐标系
之间的相互转换关系
球面上的点可以用两个角度来表示
这具有一般性吗
更一般地 如果空间中点的坐标
分别是关于两个参数的函数形式给出
这就是 由参数方程给出的二元函数
当参数在一定范围内变化时
空间中点一般描出来一个曲面
这个曲面就称为参数曲面
考察空间中一物体的温度分布
如果温度是稳态的
即不随时间变化而变化
但是随着空间位置不同而变化
则温度是空间位置变量x y z的函数
这就是三元函数
如果温度是非稳态的
则它是空间位置x y z和时间t的函数
这就是四元函数了
再多一点变量
考虑一个班级考试的平均成绩
如果班级有50人
那么 平均成绩就是每个人的成绩的函数
那就是50元函数了
二元以上的函数
我们统称为多元函数
依赖于三个或者三个以上的
自变量的显式函数
称为多元显式函数
例如u=√(x²+y²+z²-1)
它的定义域和值域分别是多少
如何刻画函数的变化情况
能画出函数的图像吗
利用平方根的特点
可以确定出这个三元显式函数的定义域
是三维空间的单位球外部
值域是u大于等于零
对于三元函数
三个自变量加上函数取值
一共是四维
我们很难在二维纸面
或者屏幕上画出三元函数的图像
为了刻画函数的变化情况
可以类似于二元函数的等高线
考察三元函数的等位面
也就是 函数取不同常数时的曲面
令u等于常数C
则C大于等于零
如果C等于零
则自变量x y z所表达的点
落在单位球面上
而如果C大于零
则自变量x y z所表达的点
落在以原点为球心
半径为√(C²+1)的球面上
也就是
半径大于等于1的球面上
函数取常数
并且随着半径越来越大
函数的取值也越来越大
如果上述三元函数移项
可以得到一个关于变量
x y z和u的方程
这就是三元隐式函数
更一般地
一个关于变量x1 x2 .... xn和y的方程
称为一个n元隐式函数
一般地
从显式函数移项即可得到隐式函数
但是从隐式函数
一定可以解出一个显式函数吗
同学 想一想
带着这个问题
作进一步的学习吧
当然
还有利用多个参数来表达的多元函数
在以后的学习中
我们再逐步理解
本讲 我们利用几何和物理等具体的问题
抽象出二元函数和多元函数的概念
依据它们的表现形式的不同
分为显式函数 隐式函数和参数方程等
为了研究二元函数
和多元函数相关分析性质
我们将从二元函数
和多元函数的极限理论出发
利用极限这个工具
进一步研究二元函数
和多元函数的导数
与微分 积分等概念
及其应用
有关二元函数和多元函数的极限理论
请听下回分解
-第一节 空间直角坐标系
--平面初等几何
--平面解析几何
--空间直角坐标系
--空间图形与方程
-第一节 空间直角坐标系--作业
-第二节 空间向量及其运算
--向量及其几何表示
--向量的代数表示
--向量的数量积
--数量积的应用
--平面方程及其应用
--向量的向量积
--向量积的应用
-第二节 空间向量及其运算--作业
-第三节 空间解析几何
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-第一节 多元函数
--平面点集及其分类
--多元函数
-第一节 多元函数--作业
-第二节 多元函数的极限
--二重极限的定义
--二重极限的性质
--二重极限的计算
-第二节 多元函数的极限--作业
-第三节 多元函数的连续性
--多元函数的连续性
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-第一节 偏导数与方向导数--作业
-第二节 多元函数的一阶可微性
-第二节 多元函数的一阶可微性--作业
-第三节 一阶微分的应用
-第三节 一阶微分的应用--作业
-第四节 多元函数的高阶可微性
-第四节 多元函数的高阶可微性--作业
-多元微分学总结
--多元微分学总结
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业
-第二节 二重积分的计算
--二重积分的换元法
--二重积分计算举例
-第二节 二重积分的计算--作业
-第三节 二重积分的应用
-第三节 二重积分的应用--作业
-第四节 直角坐标系下的三重积分
--三重积分计算举例
-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业
-第五节 其它坐标系下的三重积分
-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业
-第六节 三重积分的计算与应用
--三重积分的换元法
--三重积分应用举例
-重积分总结
--重积分总结
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业
-第二节 第一型曲面积分及其应用
--曲面的面积
-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业
-曲线曲面积分总结
--曲线曲面积分总结





