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 > 第二节 多元函数的一阶可微性 > 多元函数可微性的判定
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
我们来学习多元函数可微性的判定
前面
我们学习了二元函数的可微性
并推导了二元函数的全微分公式
这个推导说明
二元函数可微蕴含着
它的一阶偏导数都存在
也就是说
“一阶偏导数都存在”
是二元函数可微的必要条件
那么 反过来
“一阶偏导数都存在”
是二元函数可微的充分条件吗
也就是问
二元函数存在一阶偏导数
一定可以保证它可微吗
或者 一般地
如何判定多元函数的可微或者不可微
这就是本讲的中心任务
考察二元函数g(x,y)=xy
在原点处偏导数的存在性
与函数的可微性
直接计算可知
g(x,y)在原点处的两个偏导数
都等于零
那么 可微性如何
函数图像在原点处有一个切平面吗
为此 考察函数在原点处的增量
它就等于Δx乘以Δy
这是线性主部
还是高阶无穷小量
由函数在原点处的
两个一阶偏导数都为零
可知函数增量中的
线性主部的系数都为零
剩下的就是
考察函数增量与ρ的比值的极限
利用基本不等式
可以得到这个比值的一个上界
而当ρ趋于零正时
这个上界趋于零
也就是说 当ρ趋于零正时
函数增量是ρ的高阶无穷小量
所以 二元函数g(x,y)在原点处可微
我们再来考察二元函数
在原点处的偏导数的存在性
和函数的可微性
直接计算可知
f(x,y)在原点处的两个一阶偏导数都为零
那么 可微性如何
函数图像在原点处有一个切平面吗
从函数图像 不难猜测
这个函数在原点处
不能被一个平面所逼近
因为f(x,y)在原点处的
两个一阶偏导数都为零
因此
如果函数在原点处可微
那么函数的增量中的线性主部就是零
而误差应该是高阶无穷小量
考察函数增量与ρ比值的极限
利用二元函数的重极限理论可知
当ρ趋于零正时
这个比值的极限不存在
也就是说
函数增量不是ρ的高阶无穷小量
从而 f(x,y)在原点处不可微
从上面的推导可知
二元函数 f(x,y)
在原点处的偏导数存在
但是函数在原点不可微
这说明
“一阶偏导数存在”
不是二元函数可微的充分条件
我们再来考察函数偏导数
在原点附近的性态
当x y都大于零时
函数在(x,y)点处的偏导数都存在
进一步地
考察当点(x,y)趋近于原点时
函数关于变量x和y的偏导数
都趋于负无穷大
而不趋于函数在原点处的偏导数
也就是说
函数偏导数在原点处不连续
作为对比
我们在来看看
前面已经判定
为可微的函数的偏导数情况
二元函数g(x,y)=xy的偏导数
在原点处是否连续
函数g(x,y)在(x,y)点处的偏导数
分别为y和x
当点(x,y)趋于原点时
它们都趋于零
也就是
函数g(x,y)在原点处的偏导数
即函数g(x,y)的偏导数在原点处连续
由上面正反两个例子
我们是不是可以大胆猜测
多元函数偏导数存在
并且连续
可以推出多元函数可微
大胆猜测 需要小心求证
假设二元函数 f(x,y)
在包含点P0的区域D上
具有连续的一阶偏导数
那么
函数f在点P0处可微
为此 在P0处
计算函数的增量
在这个差式中
两个变量都在变化
不好处理
我们采用控制变量的思想
作减一项加一项的恒等变形
再分组作差
这样可以每一组中有一个变量在变化
对每一组的差式
用微分中值定理
这样好像得到了一个
关于自变量增量的线性组合
这就是全微分的线性主部
不是
因为这里的系数是依赖于h和k的
不是常数
我们再采用加一项减一项
作恒等变形
将k和h前面的系数整理为常数形式
其它的都归为误差项
下面
重点就是验证误差是高阶无穷小量
记误差项中h和k的前面的系数
分别为ε1和ε2
因为
利用不等式放缩
可以得到误差与ρ比值的绝对值
小于等于ε1和ε2的绝对值之和
而由偏导数的连续性可知
当ρ趋于零正时
ε1和ε2都趋于零
这就证明了
误差是ρ的高阶无穷小量
也就是说 在点P0处
二元函数的增量
可以写成一个自变量增量的线性组合
再加上一个高阶无穷小量的形式
从而二元函数f(x,y)在点P0处可微
至此 我们证明了
多元函数偏导数存在且连续
可以推出函数可微
也就是
“偏导数存在且连续”
是“函数可微”的充分条件
那么 同学想一想
从函数可微
一定可以推出偏导数连续吗
考察二元函数 f(x,y)
在原点处的偏导数
存在性 函数的可微性
以及偏导数连续性等性态
首先
考察函数在原点处偏导数的存在性
这是一个分段定义的函数
直接利用偏导数的定义
可以计算出
它在原点处的偏导数都为零
再来考察分段函数在原点处的可微性
因为函数在原点处的偏导数都为零
所以
考察当ρ趋于零正时
函数增量与ρ比值的极限
约分 放缩之后
可以用ρ来控制这个比值
所以
当ρ趋于零正时
比值的极限为零
这就说明了
函数在原点处可微
我们再来考察分段函数f(x,y)
在原点偏导数的连续性
直接计算可得
当时
函数在(x,y)点
关于变量x的偏导数
当(x,y)沿x轴趋于原点时
偏导数的极限不存在
因此 偏导数在原点处不连续
同理 可以分析关于变量y的偏导数
同学 拿出纸和笔
自己动手算一算
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
本讲
我们考察了二元函数
可微的充分条件
即偏导数存在且连续
反之 从二元函数可微
我们可以得到
它的偏导数一定存在
但未必连续
有了二元函数可微性的判定
我们就可以研究
二元可微函数全微分的性质和计算
有关二元可微函数全微分的性质
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






