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多元函数的近似计算与误差估计

下一节:高阶混合偏导数的克莱罗定理

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多元函数的近似计算与误差估计课程教案、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

近似计算与误差估计

在一元微积分中

利用有限增量公式

可以给出一元可微函数较为精确的近似计算

其误差是一个高阶无穷小量

对于多元可微函数

我们也有有限增量公式

那么

如何利用多元可微函数的有限增量公式

对多元函数作近似计算和误差估计

这就是本讲的主要内容

我们来考察二元多项式函数

自变量从(2,1)变化为(2.03,0.98)

利用计算器计算可知

函数的取值从17

变化为17.779062

如果用手算

可能比较麻烦

是不是

有没有比较简便

并且精度较高的计算方式

首先

计算自变量的变化量

Δx=0.03 Δy=-0.02

那么

函数取值的变化量呢

可以利用可微函数的全微分

来近似函数的变化量

即函数的变化量约等于函数的全微分

进而可得

函数在(2.03,0.98)点处

取值近似值为17.77

与用计算器计算出来的结果比较一下

绝对误差和相对误差是多少

这个方法具有一般性吗

同学

动脑想一想

动手算一算

你觉得这个误差还可以接受吗

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考察二元显式函数z=f(x,y)

当自变量从变化为

自变量变化量分别为Δx Δy

那么函数取值的变化量是多少

函数取值的变化量精确值

是函数在两点取值之差

但是如果函数的表达式比较复杂

函数在点的精确取值

并不好计算

此时

我们就要进行近似计算了

利用二元函数的全微分

来近似函数取值的变化量

注意到

计算全微分时

计算全微分时

只需要计算函数在点的一阶偏导数

以及它们与自变量变化量的乘积

计算相对简单

而函数在点的取值

就约等于在点的取值

加上函数取值变化量的近似值

考察三元隐式方程F(x,y,z)=0

假设它在附近

确定了z是变量x y的函数

则当自变量从变化为

隐式函数取值从z变化成多少

自变量的变化量分别为Δx和Δy

那么函数

取值的变化量是多少

函数的全微分又是多少

对隐式方程两边求全微分

右端的全微分为零

左端是三项之和

前面两项刻画的是

三元函数F随变量x y的变化而变化的情况

最后一项刻画的是

三元函数F随变量z变化而变化的情况

由此可以解出二元函数z的全微分

它可以用自变量的变化量

于三元函数F

在点处的偏导数计算出来

进而可得函数在

点取值的近似值

上述计算成立的条件是什么

同学

动脑想一想

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考察直角三角形ABC

已知一条直角边AC=b

和一个锐角∠BAC=α

求另外一条直角边BC的长度

利用直角三角形的角与边的关系

可得BC等于AC乘以角度α的正切值

如果AC=121.56

∠BAC=25°21′40″

计算可得BC等于57.62

如果的AC长度有个改变量0.05

角度BAC有个改变量12''

那么BC长度的改变量是多少

对BC长度的计算公式求全微分

并利用BC长度的全微分近似它的改变量

这里需要注意的是

角度单位要化为弧度制

计算可得BC的长度改变量约为0.04

从而此时BC的长度大约是57.66

考察物理学中的理想气体状态问题

气体的状态可以用体积 温度和压强来表达

波义耳 盖-吕萨克以及查理等人

通过控制变量法

总结出特定状态量之间的关系

先后经过两个多世纪不断的试验

观察 归纳总结

最终克拉伯龙得到了一般性的

理想气体状态方程

如果气体的温度测量具有

一个相对误差0.4%

气体体积测量具有一个相对误差0.9%

那么

气体的压强的相对误差是多少

首先计算压强的绝对误差

用压强的全微分近似绝对误差

利用温度和体积的变化量

以及压强关于温度和体积的偏导数

可以表达出压强的绝对误差

对理想气体状态方程求全微分

可以得到压强的绝对误差

再除以压强值就得到了压强的相对误差

0.013

这个数值就等于温度和体积的相对误差之和

这个结论具有一般性吗

假设有一个二元可微的显式函数

给定自变量x y的相对误差

试求二元函数的相对误差

利用显式函数的全微分

来近似函数的绝对误差

其中dx和dy分别用

和来代替

进一步地

可以计算出函数的相对误差

具体到理想气体的压强问题

直接计算可以发现

温度和体积的相对误差前面的系数

恰好为1

因此

压强的相对误差

就等于温度和体积的相对误差之和

这个结论不具有一般性

还是来考察二元多项式函数

在点(2,1)处

具有自变量的改变量

Δx=0.03 Δy=-0.02

试求函数的相对误差

直接计算可知

自变量的相对误差分别为

δx=0.015 δy=0.02

函数的绝对误差为约为0.77

除以函数在点(2,1)处的取值17

得到函数的相对误差约为0.045

它不等于自变量的相对误差之和

这个例子说明理想气体压强的相对误差

等于温度和体积的相对误差之和

这个结论只是一个特例而已

考察三元隐式方程F(x,y,z)=0

假设它在附近

确定了z是变量x y的函数

如果已知自变量x y的相对误差

试求二元函数的相对误差

对隐式方程两边求全微分

右端的全微分为零

左端是三项之和

解出函数z的全微分

并用它来近似函数的绝对误差

进一步地

可以计算出函数的相对误差

上述计算成立的条件是什么

同学

动脑想一想

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本讲

我们探究了多元函数的近似计算与误差估计

核心思想就是利用函数的全微分

近似函数的变化量

它的几何意义就是利用沿切平面的变化量

近似沿曲面的变化量

这与一元微积分中

局部地用切线代替曲线的思想是一致的

只不过

对于多元函数情形

自变量的个数增加了

所考虑的图形维数增加了而已

这里我们仅仅用到了多元函数的一阶可微性

全微分以及一阶偏导数等概念

为了更加精确地描述多元函数

或者对多元函数

作更精确的近似计算和误差估计

我们需要利用函数的高阶可微性

有关多元函数的高阶可微性

以及高阶微分等概念

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

多元函数的近似计算与误差估计笔记与讨论

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