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多元函数的一阶偏导数

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多元函数的一阶偏导数课程教案、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

我们来学习多元函数的一阶偏导数

在一元微积分中

我们学习了一元函数的导数与微分

以及应用

几何上

一元函数的导数是函数图像切线的斜率

它表达的是函数在该点的变化快慢

那么 如何刻画多元函数取值的变化快慢

二元函数依赖于自变量

当这两个自变量在一定范围内变化时

二元函数如何变化

具体地

当两个自变量从(x,y)变为(x+h,y+k)时

如何定量刻画二元函数的增量

它与自变量增量之间有什么样的关系

这里有两个自变量的增量

参照哪一个

我们可以采用所谓的控制变量法

也就是

控制一个变量

使之保持不变

仅让另一个变量变化

考察函数增量

与这个自变量增量之间的依赖关系

在实验科学中

普遍采用这种控制变量法

来研究不同变量之间的相互依赖关系

在物理学中

为了研究气体状态

抽象出理想气体

即忽略气体分子的自身体积

将分子看成有质量的几何点

假设分子间没有相互吸引和排斥

即不计分子间的势能

分子之间以及分子与器壁之间

发生的碰撞是完全弹性的

理想气体可以用它的体积

温度和压强等宏观物理量

来描述其状态

那么 理想气体的体积 温度

和压强之间有什么样的关系

1662年

英国化学家波义耳根据实验结果提出

在密闭容器中的定量气体

在恒温下

气体的压强与体积成反比

现在称之为波义耳定律

这是人类历史上第一个被发现的“定律”

它刻画了定量气体的等温过程

也就是控制气体的量和温度

考察气体的压强和体积的变化关系

1802年

盖·吕萨克发现了压强不变时

一定质量气体的体积与热力学温度成正比

这就是盖·吕萨克定律

它刻画了定量气体的等压过程

也就是控制气体的量和压强

考察气体的体积与温度的变化关系

查理在1746-1823年

通过实验发现

一定质量的气体

当其体积一定时

它的压强与热力学温度成正比

这就是查理定律

它定量刻画了定量气体的等容过程

也就是控制气体的量和体积

考察气体的压强与温度的变化关系

将上述控制变量的思想

应用到二元函数变量的研究上

就可以得到二元函数的偏导数概念

比如 控制变量y 保持不变

只有变量x变化

此时 这有x的增量h=△x

考察二元函数的增量及其平均变化率

即函数的增量与自变量增量的比值

再取极限△x趋于零

就可以得到函数的瞬时变化率

这就是 固定变量y

二元函数对自变量x的偏导数

对于二元函数

设它的定义域为平面区域D

若固定变量y

只有变量x变化

二元函数对自变量x的偏导数

就定义为当△x趋于零时

函数的增量与自变量增量比值的极限

同理 可以定义 固定变量x

只有变量y变化

二元函数对自变量y的偏导数

同学

自己想一想

函数的偏导数具有什么样的几何意义

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

设二元函数z=sin(x+2y)

它的定义域是多少

计算这个二元函数

在点(1,2)处的两个偏导数

直接按照偏导数的定义式

可以计算出

这二元函数在点(1,2)处

关于x的偏导数为cos5

而关于y的偏导数为2 cos5

对于二元函数z=sin(x+2y)

它在(1,2)处的

关于x的偏导数cos5

具有什么样的几何意义

当固定变量y=2

只有变量x变化时

我们事实上得到一个

仅依赖于x的一元函数

它的图像在空间中

可以看成用平面y=2

截取二元函数的图像

即显式曲面

一般地可以得到一条空间曲线

那么 这个空间曲线

在(1,2,sin5 )处的切线的斜率

就是二元函数在点(1,2)处

关于x的偏导数

它定量地刻画了二元函数在点(1,2)处

随x变化而变化的快慢

类似可以得到

二元函数关于y偏导数的几何意义

这个想法具有一般性吗

对于一般的二元函数

以及定义域内一点

二元函数在该点关于x的偏导数

具有什么样的几何意义

用平面y=y0

截取二元函数的图像

即显式曲面

一般可以得到一条空间曲线

那么 这个空间曲线(x,y0,f(x,y0))处切线的斜率

就是二元函数在点(x0,y0 )处

关于x的偏导数

它定量刻画了二元函数在点(x0,y0 )处

随x变化而变化的快慢

我们来考察理想弦振动问题

理想弦就是均匀细长柔软弦

即其横截面可以忽略而视为线

线密度为常数

可以任意弯曲

张力满足胡克定律

为了描述理想弦的微小横振动

以二元函数u(x,t)表达

弦在t时刻 点x处的振动位移

那么

二元函数u(x,t)的两个偏导数

分别具有什么样的物理意义

当时间t固定时

关于x的一元函数表达的

是在t时刻弦的空间形状

而关于x的偏导数可以刻画弦在

(x0,u(x0,t))处的张力的方向

当x固定时

关于t的一元函数表达的是

点x处弦的振动情况

而关于t的偏导数可以刻画

点在x处弦的振动的速度

对于一个二元函数或者多元函数

如何计算它的偏导数

当然 按照定义

控制其它变量

求函数关于某一个变量变化的增量

与自变量增量之比的极限

可以计算二元函数或者多元函数的偏导数

或者

控制其它变量不变之后

二元函数或者多元函数就约化为一元函数

再利用一元函数求导的性质和法则

计算一元函数的导数

这就是二元函数或者多元函数

关于这个变量的偏导数

考察三元函数f(x,y,z)

分别计算它的三个偏导数

采用控制变量法

比如 令y0,z0固定

得到一个关于x的一元函数

再求导即可得到函数关于x的偏导数

同理

可以计算关于变量y或者z的偏导数

考察显式曲面与平面y=1的交线

在点(√2,1,2)处的切线方程

首先 将平面方程y=1代入曲面方程

可以得到交线的方程

再求一阶偏导数

那么 切线的方向是多少

由于变量y保持不变

而函数关于x的偏导数为-√2

因此 切线的方向为T=(1,0,-√2)

最后

可以写出直线的点向式方程

本讲 为了定量刻画二元函数

或者多元函数的变化快慢问题

我们采用控制变量法

将二元函数或者多元函数约化为一元函数

再去考察函数依赖于

某个变量变化而变化的情况

由此 抽象出二元函数

或者多元函数的一阶偏导数概念

类似于一元函数的高阶导数

我们也可以归纳定义多元函数的高阶偏导数

有关多元函数的高阶偏导数

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

多元函数的一阶偏导数笔记与讨论

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