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隐式函数的可微性与偏导数

下一节:多元可微函数的梯度

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隐式函数的可微性与偏导数课程教案、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

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

与小伙伴们交流交流吧

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

隐式函数的可微性与偏导数笔记与讨论

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