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全微分与偏导数的计算

下一节:隐式函数的可微性与偏导数

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全微分与偏导数的计算课程教案、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

我们来学习多元可微函数

全微分和偏导数的计算

前面

我们利用全微分的定义

以及函数可微性的判定

推导了多元可微函数全微分的性质

例如四则运算法则

线性性 复合运算法则

以及全微分的形式不变性

这些性质可以帮助简化

复杂函数全微分和偏导数的计算

那么

如何灵活运用全微分的性质

方便快捷地计算出

多元可微函数的全微分和偏导数

这就是本讲的中心任务

设函数z是变量的函数

其中函数f g h都是可微的

试求函数关于变量x y的一阶偏导数

函数z可以看成一个由三个函数f g h

以及变量x y的复合函数

只是函数与变量之间的复合关系比较复杂

如何计算这个较为复杂函数的偏导数

同学 动手写一下

到学习讨论区 与小伙伴们交流交流

对于这个较为复杂的二元函数

我们首先

选择一些中间变量

理清变量之间的依赖关系

比如 令

v=g(xy)

t=xy s=x+y

进一步地

画出函数的复合关系

函数f依赖于两个中间变量u和v

u和v又分别依赖于变量 x y

这是二元函数与二元函数的复合

函数g依赖于一个中间变量t

t又依赖于变量x和y

这是二元函数与一元函数的复合

函数h依赖于一个中间变量s

s又依赖于变量x和y

这是二元函数与一元函数的复合

那么 函数z是如何依赖于变量x y的

利用函数z的表达式

函数f g和h与中间变量u v s t

以及它们与变量x y的依赖关系

可以画出函数z与

变量x y的依赖关系示意图

由图中可知

由变量z到变量x有3条路径

而从变量z到变量y有4条路径

这对于我们计算偏导数有什么帮助

由前面画出的函数z

与变量x y的依赖关系示意图

以及复合函数求偏导数的链式法则

可以写出函数z关于变量x的偏导数

它是三项之和

也就是

每条从变量z到x的路径

对应着偏导数计算式中的一项

类似地 函数z关于变量y的偏导数

它是四项之和

也就是 每一条从变量z到变量y的路径

对应着偏导数计算式中的一项

最后 注意到

我们这里分别用和

表示二元函数f

对中间变量u v的偏导数

而不是和

这样写的好处是

以后熟练之后

可以不用写出中间变量了

直接写下来 就表示

二元函数f

对它的第一个变量求偏导数

同理 就表示二元函数f

对它的第二个变量求偏导数

而函数g和h是一元函数

与二元函数的复合

所以它们本身的导数是常义导数

不用标注下标

利用全微分的形式不变性

也可以计算二元可微函数的偏导数

对函数等式两边求微分

利用全微分的性质和链式法则

函数z的全微分是四项之和

继续一步一步地计算其中函数的微分

最后 合并同类项

可以得到函数z作为变量

x y的函数的全微分

利用全微分与偏导数之间的关系

可以写出函数z

关于变量x y的一阶偏导数

考察二元分段函数f(x,y)

如果变量x y都等于t

也就是点(x,y)

在一三象限的角平分线上

试求函数z关于变量t的导数

在t=0时的值

这里为什么用的是d

而不是偏导数的符号

怎么计算这个导数值

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

对于这个求导问题

如果按照先求全微分

再由全微分表达式来求出偏导数

是否可行

直接计算偏导数

可得这个函数在原点的

两个一阶偏导数都为零

那么

按照复合函数求导链式法则

函数z关于变量t的导数

在t=0时的值为零

这个算法正确吗

如果我们将变量x和y

都等于t代入二元函数表达式

可以得到一个关于变量t的一元函数

它是一次函数

导数是一个常数

这与上边的计算不一致

为什么

哪个算法是正确的

发生的错误原因是什么

前面第一种算法利用了全微分这个概念

这就要求首先判定二元函数的可微性

那么

这个二元函数在原点可微吗

因为函数在原点处

两个偏导数都为零

因此

考察函数增量Δf

与ρ比值的极限

沿着不同方向趋近于原点

可以发现比值的极限不相等

因此

作为二重极限

函数增量与ρ比值的极限不存在

因此 二元函数在原点不可微

所以

二元函数在原点没有所谓的全微分

前面第一种解法自然不成立

这也提醒我们在使用全微分概念时

必须先判定函数的可微性

本讲

我们利用全微分的的性质

例如 四则运算法则

线性性 复合运算法则

以及全微分的形式不变性

计算了一些较为复杂的

二元显式函数的全微分和偏导数

必须注意的是

在使用全微分概念时

必须先判定函数的可微性

多元函数除了有显式函数之外

还有隐式函数形式

那么如何计算隐式函数的偏导数

有关隐式函数的偏导数的计算

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

全微分与偏导数的计算笔记与讨论

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