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 > 第四节 多元函数的高阶可微性 > 高阶可微性与高阶微分
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
我们来学习多元函数的高阶可微性与高阶微分
前面
我们探究了多元函数的一阶可微性
与全微分等概念
二元函数f(x,y)
在点P0处可微
就是函数在点P0处的变化量
可以表示为一个关于Δx和Δy的线性主部
再加上一个高阶无穷小量的形式
我们把函数的变化量的线性主部
就定义为函数在点P0处的全微分
如果点P0在某个区域上变化
可以得到函数在区域上的全微分
在一元微积分中
对于一元函数我们定义了函数的高阶可微性
以及高阶微分
那么
如何定义多元函数的高阶可微性
进一步地
如何计算多元函数的高阶微分
这就是本讲的主要内容
在一元微积分中
我们归纳地定义了
一元函数的高阶可微性与高阶微分
对于一元函数y=f(x)
定义了它的一阶微分dy=f '(x)dx
如果一阶微分中的系数f '(x)还是可微的
那么我们就称函数f(x)是二阶可微的
函数f(x)的二阶微分就定义为
一阶微分的微分
即d² y=d(f ' (x)dx)
如何计算这个微分的微分
将这个微分视为对f '(x)和dx乘积的微分
利用微分运算的莱布尼兹性质
乘积函数的微分等于两项之和
第一项就是导函数f '(x)的微分
再乘以dx
第二项则是导函数f '(x)
乘以dx的微分
如何计算dx的微分
我们当时是作分类讨论的
分别就“x是自变量”
和“x是中间变量”两种情形进行讨论
考察三元多项式函数f(x,y,z)
因为 多项式函数一定可微
直接计算 可得它的全微分
注意到 全微分中的系数都是多项式
因此 都是可微的
因此
三元多项式函数是二阶可微的
那么 它的二阶微分等于多少
归纳计算
二阶微分是一阶微分的微分
因此
对原来的三元多项式函数的一阶微分
再微分
利用微分的加法性质
和的微分等于微分的和
再利用乘积函数微分的莱布尼兹性质
一步一步地展开
最终
还是落实到求变量x y z微分
dx dy dz的微分
如何求
同学
动脑想一想
动手算一算
到学习讨论区
与小伙伴交流交流吧
如果变量x y z是自变量
因为自变量的微分是与它的位置无关
因此
它们的二阶微分都等于零
这样
原来三元多项式函数的二阶微分
就是一阶微分中的系数的全微分
分别乘以dx dy dz
展开 再合并同类项
就可以计算出三元多项式函数的二阶微分
那么如果变量x y z是中间变量
如何计算二阶微分
如果变量x y z是中间变量
比如 x=t y=t² z=t³
那么
它们的一阶微分分别为
dx=dt dy=2tdt dz=3t²dt
一般而言
它们的系数就不再是常数了
而是与变量t有关的函数
此时 再求微分
可得变量x y z的二阶微分
注意到变量t作为自变量的
因此
它的二阶微分为零
但是一般情形下
中间变量x y z的二阶微分就不再为零了
将中间变量x y z及其一阶 二阶微分
都代入原来三元多项式二阶微分的表达式中
可以得到
多项式函数关于自变量t的二阶微分表达式
我们还可以采取另外一种方式
计算多项式函数关于自变量t的二阶微分
即先把中间变量x y z关于自变量t的函数关系
代入到三元多项式函数表达式中
得到一个关于自变量t的函数
这是一个一元函数
利用一元函数的二阶微分计算的方法
也可以计算出多项式函数关于
自变量t的二阶微分
对比可以发现
这两种计算的结果是一致的
这个具体例子的计算思想和方法
具有一般性吗
同学
动脑想一想
动手算一算
到学习讨论区 与小伙伴交流交流吧
假设二元函数f(x,y)
在平面区域D内可微
如果它的全微分中的系数还是可微的
那么
就称函数f(x,y)是二阶可微的
它的二阶微分就定义为一阶微分的微分
将函数f(x,y)的一阶微分表达式
代入二阶微分的计算式中
利用微分的加法性质
和的微分等于微分的和
再利用乘积函数微分的莱布尼兹性质
一步一步地展开
最终
还是要计算变量x y z二阶微分的
那么如何定义和计算更多变元函数
更高阶的可微性
如果二元函数f(x,y)在平面区域D内
具有二阶连续的偏导数
那么全微分中的系数
也就是函数的一阶偏导数还是连续可微的
并且由克莱罗定理
二阶混合偏导数相等
因而可以
求出函数的一阶偏导数的全微分
为了计算函数的二阶微分
只要计算变量x y的二阶微分了
与一元函数情形以及上面的具体实例类似
需要分“x,y是自变量”
和“x,y是中间变量”两种情形进行讨论
如果变量x y是自变量
则它们的二阶微分都等于零
这样
原来二元函数的二阶微分
就是一阶微分中系数的全微分
分别乘以dx dy
利用混合偏导数相等
再展开合并同类项
就可以计算出二元函数的二阶微分
在二元函数的一阶微分表达式中
把偏导数写成分式的形式
再将函数的表达式提到右边去
改写成一个算子作用在函数上的形式
可以验证前面这个括号所表达的算子
是一个微分算子
将二元函数的二阶微分表达式
作类似的处理
提出函数表达式之后
算子部分可以写成一阶微分中的算子的平方
就是把其中的偏微分算子和变量的微分
看成普通的字母或者数字
参与乘法运算即可
那么利用类似的思想可以定义
和简写更高阶的微分吗
对于n元函数f(x1,x2,...,xn )
它在区域D内具有
k-阶的连续的偏导数
如何计算这个n元函数直到k-阶的微分
前面采用归纳定义的方式
计算了二元函数的一阶和二阶的微分
类似可得
当x1,x2,…,xn是自变量时
n元函数的一阶和二阶的微分
继续归纳计算下去
可以得到n元函数的三阶微分
它是一阶微分算子的立方作用在n元函数上
再往下
你有什么样的猜想
对
n元函数的k阶微分
就是一阶微分算子的k次方作用在n元函数上
这个公式的形式看起就比较统一了
具有数学的形式美
如果变量x y是中间变量
例如
x=φ(t),y=ψ(t)
计算它们的一阶微分
一般而言是与自变量t有关的
再计算变量x,y的二阶微分
注意到
自变量t的二阶微分为零
代入函数二阶微分的计算式
可以一步一步地计算出
此时的二元函数的二阶微分
本讲
我们探究了多元函数的高阶可微性
及其充分条件
进一步地对多元函数中的
变量是自变量还是中间变量
这两种情形
探讨了如何计算多元函数的高阶微分
在合适的表现形式下
数学公式具有一定的统一性
这就是数学的统一之美
利用多元函数的高阶可微性
以及高阶微分等概念
我们可以探讨多元函数的泰勒多项式展开
有关多元函数的泰勒多项式展开
请听下回分解
-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
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-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
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-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
-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
-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
-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
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-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
--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
-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
--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
-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
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-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