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多元函数

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多元函数课程教案、知识点、字幕

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

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-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

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-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

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-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

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-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

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-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

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-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

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-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

--极坐标系下的二重积分

--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

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-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

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--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

--柱坐标系下的三重积分

--球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

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-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

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-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

多元函数笔记与讨论

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