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多元函数的高阶偏导数

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多元函数的高阶偏导数课程教案、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高阶偏导数

上一讲

我们采用控制变量法

将二元函数与多元函数约化为一元函数

进而定量地考察

当其它变量保持不变时

函数随一个变量变化而变化的情况

从而引入二元函数与多元函数的一阶偏导数

在一元微积分中

我们对一元函数

还引入了二阶以及更高阶的导数

那么

如何刻画二元函数与多元函数的高阶偏导数

考察二元函数f(x,y)

利用一阶偏导数的定义

或者控制变量法

可以求出它的一阶偏导数

它的两个偏导数还可以看成是二元函数

那么

可不可以再对这两个一阶偏导数再求导

同学

自己动手计算一下

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

利用一阶偏导数的定义

或者控制变量法

对每个一阶偏导数

又可以求出两个偏导数

即一阶偏导数的偏导数

这就是二阶偏导数

一共是四个二阶偏导数

那么

考虑一下

对于三元函数

将有多少个二阶偏导数

对于二元函数

假设已经求出它的每一点处的一阶偏导数

让这些点变化起来

就得到了两个新的二元函数

再对这两个一阶偏导数

可以再求偏导数

也就是

我们可以归纳地定义二阶偏导数

依次可以求出四个二阶偏导数

那么

还可以再探究二阶偏导数的偏导数

这就是三阶了

如此下去

可以归纳定义更高阶的偏导数

一个二元函数有四个二阶偏导数

类似于一阶偏导数

有时我们采用下标

或者比值形式

表达二阶偏导数

如何理解这两个记号下的

混合的二阶偏导数的求导变量的顺序

我们采用所谓的“就近原则”

例如

在下标形式的二阶的

混合偏导数中的

变量x离函数符号f较近

因此

就是先对变量x求一阶偏导数

再对变量y求二阶偏导数

而将比值形式的二阶混合偏导数

改写成

可以看出

变量y离函数符号f较近

因此

就是先对变量y求一阶偏导数

再对变量x求二阶偏导数

对于二元函数

假设我们已经求出了它

在每一点处的一阶偏导数和二阶偏导数

我们可以再考察二阶偏导数的偏导数

这就是三阶偏导数了

同学

自己想一想

一个二元函数最多有多少个三阶的偏导数

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

设二元函数f(x,y)=e^(ax+by)

计算它的两个一阶偏导数

和四个二阶偏导数

同学

细心的你一定发现

这两个二阶的混合偏导数是相等的

这具有一般性吗

你能归纳出一般性的结论吗

对四个二阶偏导数再求导

就可以得到八个三阶偏导数

并且

你可以发现

这几个红框内的三阶混合偏导数相等

而另外几个绿框内的三阶偏导数也相等

同学

你发现每组相等的混合偏导数

有什么样的特点吗

这个发现具有一般性吗

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

考察二元函数u(x,t)=f(x-at)+g(x+at)

a为常数

这个函数图像有什么样的特点

函数的偏导数又有什么样的特点

利用一阶偏导数的定义

或者控制变量法

可以求出它的两个一阶偏导数

再求一次偏导数

可得四个二阶的偏导数

除了两个二阶混合偏导数相等以外

你还看出什么了

这个二元函数关于t的二阶偏导数

等于关于x的二阶偏导数的a平方倍

这个含有未知函数及其偏导数的等式

称为偏微方程

这个方程可以用来描述

理想弦的微小横振动等横波

因此

称为波动方程

反之

满足这个波动方程的解

一定具有这种形式吗

考察二元函数

这是一个关于变量x,y的四阶多项式

它的偏导数又有什么特点

利用一阶偏导数的定义

或者控制变量法

可以求出它的两个一阶的偏导数

再求一次偏导数

可得四个二阶的偏导数

除了两个二阶混合偏导数相等以外

你还能看出什么

这个二元函数关于

x y的二阶偏导数之和为零

这个方程可以用来描述

静电场等稳态场的势函数

因此

称为位势方程

反之

满足这个位势方程的解

一定具有这种形式吗

考察这个四元函数

它有多少个二阶的偏导数

利用一阶偏导数的定义

或者控制变量法

可求出它的四个一阶的偏导数

再分别求一次偏导数

可得16个二阶的偏导数

同学

自己拿出纸和笔

动手算一下

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

至此

我们采用控制变量法

将多元函数约化为一元函数

进而求导

可得多元函数的一阶和二阶

或者更高阶的偏导数

那么

反过来

从一元函数导数的性质

可以推出多元函数偏导数的性质

例如

线性性

也就是

可导函数的线性组合一定可导

并且线性组合的导数等于导数的线性组合

以及乘积函数求导的莱布尼兹性质

进一步地

可以推导出

乘积函数高阶偏导数的莱布尼兹公式

事实上

正是因为求偏导运算

满足线性性和莱布尼兹性质

我们也将求偏导运算称为一种微分运算

本讲

利用控制变量法

将多元函数约化为一元函数

对多元函数的一阶偏导数再求偏导数

得到二阶偏导数

进一步地

可以归纳地求出多元函数的高阶偏导数

同时

从一元函数导数的性质

可以推出多元函数偏导数的性质

但是

一个多元函数何时具有偏导数

偏导数还有哪些良好的运算法则

为了回答这个问题

我们需要引入类似一元函数微分概念

即多元函数的微分

以及多元函数的可微性等

上面

我们从求导的阶数上推广了

多元函数的一阶偏导数概念

得到了多元函数的高阶偏导数概念

偏导数刻画函数沿坐标轴方向的变化率

那么

如果考察函数沿其它方向的变化率

就需要从另外一个方面推广偏导数的概念

这就是多元函数的方向导数概念

有关多元函数的方向导数

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

多元函数的高阶偏导数笔记与讨论

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