当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 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 > 多元函数的高阶偏导数
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
对
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
对
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
-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





