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多元连续函数的性质

下一节:多元函数的一阶偏导数

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多元连续函数的性质课程教案、知识点、字幕

同学 你好

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《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 我们来探究多元连续函数的性质

在一元微积分中

我们学习了一元连续函数的局部保号性

和局部有界性等局部性质

以及有界闭区间上连续函数的有界性

和最值性等整体性质

同时 对于一元连续函数

还有零值定理和介值定理等定理成立

那么 二元连续函数

乃至多元连续函数

还有类似的局部和整体性质吗

这就是本讲的中心任务

设二元函数在它的定义域内一点P0处连续

并且函数在P0点处的取值严格大于零

那么 这个二元连续函数在P0点附近

取值有什么特点

也是严格大于零吗

由于二维平面上的集合的多样性

我们对P0点与函数定义域D的位置关系

作分类讨论

如果P0点是定义域D的聚点

函数在P0点的二重极限就是函数

在P0点的取值

由二重极限的局部保号性

可以推出二元连续函数的局部保号性

如果P0点不是定义域D的聚点

则P0点是D的孤立点

也就是存在一个正数δ

使得P0点的δ邻域

与定义域D的交集是独点集

这样函数在P0点的这个δ邻域

与定义域D的交集上取值

也就是函数在P0点的取值

一定大于零

所以 综合两种情形

二元连续函数具有局部保号性

设二元函数在它的定义域内一点P0处连续

那么

这个二元连续函数在P0点附近一定有界吗

我们还是对P0点与定义域D的位置关系

作分类讨论

如果P0点是定义域的D的聚点

函数在P0点的二重极限

就是函数在P0点的取值

由二重极限的局部有界性

可以推出二元连续函数的局部有界性

如果P0点不是定义域D的聚点

则P0点是D的孤立点

也就是存在一个正数δ

使得P0点的δ邻域

与定义域D的交集是独点集

这样函数在P0点的这个δ邻域

和定义域D的交集上的取值

也就是函数在P0点的取值

一定有界

所以 综合这两种情形

二元连续函数具有局部有界性

上述两条性质都是二元连续函数的局部性质

也就是在某一点附近成立

如果要求这些性质

在一个较大的范围内也成立

仅有函数的连续性够吗

类似于一元函数情形

在有界闭区间上的连续函数

具有更深刻的整体性质

对于二元函数的情形

我们也要对所考虑的自变量变化范围做限制

也就是有界闭区域

也就是说

在有界闭区域上的二元连续函数一定有界吗

回想一下

我们是如何证明

有界闭区域上连续函数的有界性的

对 使用反证法

也就是

假设有界闭区域上的二元连续函数无界

再推出矛盾

如何推出矛盾

由反证假设 函数无界

因此

对于任意一个正整数n

存在定义域D内点(xn,yn)

使得|f(xn,yn)|>n

考察点列{(xn,yn)}

它在有界闭区域D上

因此

存在收敛子列{(xnk ,ynk )}

使得当k→+∞时

子列{(xnk ,ynk )}的极限为点(c,d)

并且点(c,d)一定属于闭区域D

这样 由函数的连续性

当k→+∞时

函数取值的数列{f(xnk ,ynk)}的极限

等于函数在点(c,d)处的取值

利用数列极限的有界性可知

数列f(xnk ,ynk)有界

这与不等式|f(xn,yn)|>n矛盾

这个矛盾说明

反证假设不成立

也就是二元连续函数

在有界闭区域上一定有界

有界闭区域上的二元连续函数

一定有最大值和最小值吗

我们以最大值为例

利用上面的讨论

有界闭区域上的二元连续函数

一定有上界

再由确界原理

存在上确界α

回顾一下

上确界定义有两层意思

一是 α是上界

因此 函数f在D上的取值都小于等于α的

二是 α是最小的上界

也就是对于任意一个正数ε

存在D内一点(x,y)

使得f(x,y)>α-ε

取ε=1/n

在D内存在点(xn,yn)

使得f(xn,yn )>α-1/n.

考察点列{(xn,yn)}的收敛性

因为点列在有界闭区域上变化

因此

存在收敛子列{(x(nk),y(nk)}

使得当k→+∞时

子列{(x(nk ),y(nk )}极限为点(c,d)

并且点(c,d)一定属于闭区域D

那么 函数在点(c,d)取值是多少

利用函数的连续性

函数在点(c,d)取值就等于

函数在点列{(x(nk),y(nk)}上是取值的极限

也就是α

也就是说 上确界α是可以达到的

它就是函数在有界闭区域D上的最大值

同理 可以证明最小值情形

同学 动手写一写

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

假设二元连续函数在区域D内

有两个点P1 P2取值异号

那么 存在一点P0

使得函数在点P0处取值为零

回顾一下 区域的定义

区域就是连通开集

我们这里主要利用连通性

对于区域D内的P1 P2两点

存在一条完全包含在D内的道路γ

连接P1 P2两点

沿着道路γ看函数f

选取适当的参数

可以认为

这个函数是关于参数的一元连续函数

这样 利用一元连续函数的零值定理

可以推导出二元函数的零值定理

比如 假设连接P1 P2的两点的道路γ

可以表示为γ(t)=(x(t),y(t))的形式

参数t在区间[α,β]上变化

并且γ(α)=P1 γ(β)=P2

则沿着道路γ

函数f变为f(x(t),y(t))

它是f(x,y)与γ(t)的复合函数

利用连续函数的复合运算法则

它是关于参数t的连续函数

并且在t=α处取值为f(P1)

在t=β处取值为f(P2)

两者异号

因此

在区间(α,β)内存在一点t0

使得复合函数取值为零

也就是函数f在γ(t0)处取值为零

假设二元连续函数f(x,y)

在区域D内的两点P1 P2处取值不相等

而实数c介于f(P1 )和f(P2 )之间

那么 存在一点P0

使得函数在P0点的取值就等于c

回顾一元函数介值定理的证明过程

它可以约化为一个辅助函数的零值定理形式

而得到证明

这里 我们也可以把介值定理约化为

关于辅助函数F(x,y)=f(x,y)-c

进而证明介值定理

零值定理可以看成介值定理的特殊形式

而介值定理可以看成是零值定理的推广

因此 可以说

零值定理与介值定理是相互等价的

本讲

我们利用二重极限和多重极限概念

探究二元连续函数

乃至多元连续函数的局部保号性

和局部有界性等局部性质

有界闭区域上的连续函数的

有界性和最值性等整体性质

以及二元连续函数的零值定理和介值定理

从上述性质的叙述形式和证明过程

我们可以发现

二元连续函数的性质

与一元连续函数的性质

具有类似的叙述形式和证明思想

而且 二元连续函数的某些性质

是通过一元连续函数的相应性质

才得以证明的

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

多元连续函数的性质笔记与讨论

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