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高阶混合偏导数的克莱罗定理

下一节:高阶可微性与高阶微分

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高阶混合偏导数的克莱罗定理课程教案、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

高阶混合偏导数的克莱罗定理

对于二元函数z=f(x,y)

分别对变量x和y求导

可得二元函数的两个一阶的偏导数

对一阶偏导数再求导

可以得到四个二阶偏导数

一般而言

先对x再对y的二阶混合偏导数

和先对y再对x的

两者并不相等

但是在某些实例中

两者又是相等的

那么在什么情况下二阶混合偏导数

与求导顺序无关

这就是本节的主要内容

考察三元多项式函数

分别对三个变量求偏导数

可以得到三个一阶偏导数

再分别对三个一阶偏导数

再求偏导数

可以得到九个二阶的偏导数

其中有三组两两相等的混合偏导数

这个例子似乎暗示我们

混合偏导数与求导顺序无关

考察二元函数f(x,y)

当x y都不等于零时

函数有一个表达式

而当x y都等于零时

函数取值为零

这个分段定义的函数

一阶和二阶偏导数分别等于多少

当x y都不等于零时

直接对函数的分式表达式

求关于x的一阶偏导数

而对于x y都等于0时

按照偏导数的定义

计算可得函数在原点关于x的

一阶偏导数为零

特别地当x等于零时

一阶偏导数

再对y求偏导数

可得

特别地

同理可以计算出当y等于0时

一阶偏导数

再对x求偏导可得

特别地

因此这个分段定义的函数f(x,y)

在原点处的两个混合偏导数并不相等

那么产生这种差异的原因是什么

这需要我们进一步的探究

考察前面三元多项式函数

它能够求任意阶的偏导数

并且它的各阶偏导数都是连续的

再来考察前面的分段函数

它的偏导数连续性如何

特别是二阶混合偏导数连续性如何

当x y都不等于零时

直接对函数的分式表达式求二阶偏导数

可以发现二阶混合偏导数连续

并且相等

考察当(x,y)→(0,0)时

这两个二阶混合偏导数的极限情况

取y=kx→0

也就是沿着直线趋近于原点

可以发现

二阶混合偏导数的极限

随直线的斜率k变化而变化

因此作为二元函数的二重极限不存在

也就是说

二阶混合偏导数在原点处不连续

从上述计算

同学你能得到什么样的一般性的结论

到学习讨论区与小伙伴们交流交流吧

对于二元函数f(x,y)

它在平面区域D内有定义

它的两个一阶偏导数都存在

二阶混合偏导数也存在

并且二阶混合偏导数

在区域D内的某一点处连续

克莱罗证明了

二元函数f(x,y)在点处的

两个二阶混合偏导数一定相等

这就是二阶混合偏导数相等的克莱罗定理

它与前面两个例子的启发是一致的

那么如何证明这个定理

这个定理的证明思想是

考察二阶差分W

它反映了二元函数

在一个小矩形的四个顶点上的变化情况

如果采取不同分组方式

也就是沿着矩形的不同的边取极限

二阶差分W

将收敛到不同顺序的混合偏导数

进而在混合偏导数连续的条件下

可以得到不同顺序的混合偏导数相等

感兴趣的同学

可以参考有关教科书

写出详细的证明过程

上面我们针对两个变元

二阶混合偏导数情形

叙述了克莱罗定理

下面我们可以从两个方面

来推广克莱罗定理

即多个变元 高阶的混合偏导数

对于n元函数

它在区域D内有定义

它的一阶偏导数都存在

二阶的混合偏导数

存在

并且它们在区域D内连续

那么n元函数的二阶混合偏导数

相等

对于n元函数f

它在区域D内有定义

直到(k-1)阶的所有偏导数都存在

k-阶的所有混合偏导数都存在

并且在区域D内连续

那么n元函数f的k-阶混合偏导数

与求导顺序无关

当克莱罗定理条件成立时

n元函数f的k-阶混合偏导数

与求导顺序无关

这样我们可以把

对同一变元的求导放在一起计数

这样 n元函数f的k-阶偏导数

一般可以用这个记号来书写

这个记号可以看成一个分式一样

分子中的幂次k表示对函数求偏导的总阶数

而分母中各个变元的幂次

是指对此变元求偏导的总阶数

因此分母中的幂次之和一定等于分子的幂次

那么问题来了

如果某一个

表达是什么意思

假设n元函数

它的每一个变元

又是另外m个变元

的函数

这样就得到一个关于变元

复合函数

那么这个复合函数是否具有高阶偏导数

以及如何计算这个

多元复合函数的高阶偏导数

假设函数f和φi具有关于各自变元的

所有直到k阶的连续偏导数

那么反复利用复合函数求导的链式法则

逐步求偏导数

可以发现

复合函数F也有所有直到k阶的连续偏导数

并且复合函数F的偏导数

可以由函数f φi的偏导数

乘法和加法来组成

含有一个未知的多元函数

及其偏导数的等式就称为一个偏微分方程

考察这个二阶线性齐次常系数方程

同学 你知道这几个定语

二阶 线性 齐次 常系数的意思吗

这个方程既有一阶偏导数

也有二阶偏导数

而且二阶偏导数中既有

也有混合偏导数

形式比较复杂

如果要求解这个偏微分方程

看起来比较复杂

那么能不能够将方程化简呢

进而求出方程的通解

对于这个方程

如果作自变量的变换

令ξ=y+3x

η=y-x

这是一个可逆变换

也就是说变量x y

也可以用ξ η来表达

这样原来关于变量x y的函数

也可以视为关于ξ η的函数

那么在这个变换下

原来的偏微分方程变成什么样子

利用复合函数求偏导的链式法则

函数u关于x y的偏导数

可以用u关于ξ η的偏导数

以及ξ η关于x y的偏导数来表达

并且因为

ξ η与x y之间的变换是线性的

因此它们之间的偏导数是常数

求出函数u关于x y的一阶 二阶偏导数之后

再代入原来的方程

就得到了函数y关于ξ η的偏微分方程

这个方程的二阶偏导数只有混合导数一项

一阶偏导数也只有一项

相对简单

那么如何求出这个相对简单的

偏微分方程通解呢

二阶线性齐次常系数方程

在自变量的线性变换下

变为一个相对简单的方程

如何求出这个相对简单的偏微分方程的通解

注意观察新的偏微分方程的特点

它可以看成一个函数

关于变量ξ的偏导数为零

积分一下括号里的函数

就是一个不依赖于ξ的量

由于我们这里有两个变量ξ和η

不依赖于ξ的量可以是

一个关于η的函数

这样就得到了一个

函数u关于η的一阶线性偏微分方程

这里并没有出现函数u关于ξ的偏导数

所以视变量ξ为参数

而方程是u关于η的一阶线性常微分方程

方程两边乘以积分因子

再对η积分

可以得到左边的函数

就等于一个关于η的函数

加上一个与η无关 关于ξ的函数

由此可以解出未知函数u(ξ,η)

最后再代回原来的变量x y

这就是原来偏微分方程的通解u(x,y)

这里的函数F G满足什么样的条件

才能保证函数u(x,y)满足方程

因为原来的方程是二阶的

因此只需要函数F G

具有二阶连续偏导数即可

本讲我们探究了多元函数的

混合偏导数相等的条件

即混合偏导数存在且连续

进一步地探讨了

求多元复合函数高阶偏导数的链式法则

利用变量代换

可以将复杂的偏微分方程化简

进而求出偏微分方程的通解

这都需要多元函数具有高阶的可微性

有关多元函数的高阶可微性

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

高阶混合偏导数的克莱罗定理笔记与讨论

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