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

返回《多元微积分(先修课)》慕课在线视频课程列表

高阶可微性与高阶微分在线视频

高阶可微性与高阶微分

下一节:多元函数的泰勒多项式展开

返回《多元微积分(先修课)》慕课在线视频列表

高阶可微性与高阶微分课程教案、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

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

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

高阶可微性与高阶微分笔记与讨论

也许你还感兴趣的课程:

© 柠檬大学-慕课导航 课程版权归原始院校所有,
本网站仅通过互联网进行慕课课程索引,不提供在线课程学习和视频,请同学们点击报名到课程提供网站进行学习。