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 > 隐式函数的可微性与偏导数
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
隐式函数的可微性与偏导数
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
这些性质可以帮助简化复杂函数
全微分和偏导数的计算
多元函数除了显式函数之外
还有隐式函数形式
那么如何计算隐式函数的偏导数
这就是本讲的中心任务
设函数z是由
一个关于变量x y z的方程确定的
试求函数z关于变量x y的一阶偏导数
在原点处的值
这个关于变量x y z的方程是五阶的
如果反解z
比较困难
那么
这时候z是一个关于变量x y的二元函数吗
进一步地
如果函数关系成立
这个二元函数是可微的吗
如果可微
如何求出这种隐式函数的偏导数
对于这个五次方程
假定可以确定变量z与变量x y之间的函数关系
并且这个二元函数在原点可微
如何计算函数z在原点处的一阶偏导数
首先我们来看看函数z在原点处的取值
将x y都等于零代入五次方程
可以解得z等于1
再对方程两边求全微分
利用全微分的性质
左边是关于dx dy dz的组合的形式
右边是常数的全微分 等于零
再将变量的数值代入
合并同类项
可以得到一个关于dx dy dz的一次方程
由此可以得到
函数z关于变量x y的一阶偏导数
在原点处的值
在假定函数关系成立
并且函数可微的前提下
我们也可以利用复合函数求导的链式法则
求偏导数
将函数关系z=z(x,y)代入方程
再利用链式法则
对等式两边求关于变量x的偏导数
得到一个关于
一次方程
最后将变量取值代入这个一次方程
可以解出函数z关于变量x的一阶偏导数
在原点处的值
同理可以求出函数z关于
变量y的一阶偏导数
在原点处的值
这两种计算偏导数方法前提是什么
它们具有一般性吗
我们从简单的情形开始
假设一个关于x y的方程
(a,b)满足方程
也就是以(a,b)为坐标的点在函数图像上
二元函数F(x,y)在点P处可微
那么 何时可以认为方程确定了
y关于x的函数
这个函数是可微的吗
如何计算函数的导数
假设函数关系成立
并且可微
我们来看看函数导数等于多少
以及方程所满足的必要条件
对原来的等式两边同时求全微分
得到一个关于dx dy的一次方程
由此可以解出dy比上dx
也就是函数y关于x的导数
这是一个比式
自然要求分母不为零
那么 反过来
在前提下
可以保证函数关系成立吗
y关于x的函数还是可微的吗
更加精细的讨论
数学上已经证明
如果一个关于x y的一个方程
(a,b)满足方程
二元函数F(x,y)在点P(a,b)附近可微
再加上二元函数F关于变量y的偏导数
在点P处不为零
那么
这个方程在点P附近
确定了y关于x的函数关系
并且函数是可微的
函数y关于x的导数
可以用F(x,y)关于x和y的偏导数比值来表达
这就是一元隐式函数存在性定理
那么 对于二元隐式函数有什么样的结论
我们再来考察二元隐式函数情形
假设一个关于变量x y z的方程
(a,b,c)满足方程
也就是以(a,b,c)为坐标的点在图像上
三元函数F(x,y,z)在点P(a,b,c)附近可微
那么 何时可以认为方程确定了
z关于x y的函数
这个二元函数是可微的吗
如何计算二元函数的偏导数
假定可以确定变量z
与变量x y之间的函数关系
并且这个二元函数在原点可微
如何计算函数z在原点处的一阶偏导数
我们采用全微分概念
来求偏导数
对方程两边同时求全微分
左边是三元函数F的全微分
右边是常数的全微分
它等于零
这样我们就得到一个关于
dx dy dz的一次方程
由此可以解出
函数z分别关于变量x y的一阶偏导数
它们都是分式形式
并且分母相同
对于分式
我们自然要求分母不为零
当然也可以采用链式法则求偏导数
同学
自己动手计算一下吧
到学习讨论区与小伙伴们交流交流吧
反过来
在“分母不为零”的条件下
变量z与变量x y之间的函数关系一定成立吗
这个二元函数在原点一定可微吗
假设有一个关于变量x y z的方程
(a,b,c)满足方程
三元函数F在点P(a,b,c)附近可微
再加上三元函数F对于变量z的偏导数
在点P处不为零
那么 这个方程在点P附近
确定了z关于x y的函数关系
并且这个二元函数是可微的
二元函数z关于x y的导数
可以用F关于x y z的偏导数比值来表达
这就是二元隐式函数存在性定理
对于更多的变元
或者由若干个方程联立的方程组情形
如何叙述隐式函数存在定理
设有两个三元方程联立构成的方程组
这时候可以解出几个因变量
两个方程一般可以解出两个变量
谁是自变量 谁是因变量
我们一般以y z为因变量
x为自变量
函数关系何时成立
函数可微吗
设点P(a,b,c)在图像上
三元函数F和G在点P附近都可微
假设函数关系y=y(x) z=z(x)成立
并且它们都可微
如何计算出导数y'(a)和z’(a)
这次我们采用
复合函数求导法则的链式法则
来计算函数的导数
对方程组的两个方程
分别求关于变量x的导数
记住这时候变量y和z都是变量x的函数
利用链式法则
可以得到一个关于
y和z对x的导数的线性方程组
如何求解这个线性方程组
在中学数学
我们学过高斯消元法
它可以求二元一次方程组
例如
方程组的第一个方程乘以
减去第二个方程乘以
可以解出y'(a)
类似地
可以解出z'(a)
它们都是比式
并且分母相同
分子分母都是两个因子乘积之差的形式
利用二乘二的行列式
可以将分子分母表达出来
解线性方程组是行列式等
线性代数概念的重要来源之一
利用行列式来表达
具有形式简洁
具有一般性等优点
当然也有抽象难懂等缺点
对于分式
我们还是要求分母不为零
与前面的隐式函数存在定理一样
数学上已经证明
在前面的条件
再加上分母行列式不为零的条件
在点P附近可以解出隐式函数
并且隐式函数可微
本讲
我们讨论了多元方程或者方程组
确定隐式函数的条件
并且利用全微分概念
或者链式法则
计算隐式函数的导数或者偏导数
注意到在求全微分或者求导之后
得到的是一次方程
或者说线性方程
这将是大学数学中
《线性代数》课程的出发点
隐式函数及其导数或者偏导数
具有什么样的几何意义
同学 动脑想一想
到学习讨论区
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