1多元函数的极限与连续性
1.1 平面点集
- 1.
点的邻域(开区域):.
- 2.
点集的内点:,使得.
- 3.
开集:全由内点1组成的集合.
- 4.
(开)区域:中任意两点均可用曲线连接(连通性).
- 5.
闭区域(闭域),其中为的边界.
- 6.
既为开集,又为闭集.
1.2 二元函数的极限与连续性
- 1.
极限:设点,则若对,总,当时,满足,则称当时,以为极限,记作.
- 2.
连续:特别地,若,即,则称在点处连续. 若在点集内中每一点都连续,则称在上连续.
- 3.
二元函数极限的常用(通用)求解方法:作极坐标变换代入表达式中得到,再求的极限. 若要求沿某一轨迹的极限,则写出轨迹的极坐标方程,代入关系再求解.
二重极限累次极限(常作为作业题、考题),即,例如对于,
1.3 有界闭区域上连续函数的性质
- 1.
有界性.
- 2.
最值性.
- 3.
介值性.
- 4.
零值性.
- 5.
一致连续性:对,总,使得当时,满足.
1.4 例题
- 1.
判断下列极限是否存在,若有极限,求出其极限; 若无极限,说明理由.
- (1)
.
- (2)
.
- (3)
.
- (4)
.
- (5)
.
- (6)
- (1)
- 2.
研究的连续性.
- 1.
当时,为初等函数,显然连续;当时,作极坐标变换:
因此当时,不连续.
2偏导数与全微分
2.1 偏导数的定义
设在内有定义,且,则
上述两式分别称为关于的偏导数.
2.2 全微分的定义
设在内有定义,且,则若全增量可写为如下形式:
其中,则称在点处可微,称为其在处的全微分.
2.3 三个定理
- 1.
可微可偏导,且(反之未必).
- 2.
可微连续(反之未必).
- 3.
在处可微,其中.
2.4 例题
- 1.
证明:在处连续但不可偏导.
- 2.
证明:在处可偏导但不连续,从而不可微,并求.
- 3.
设,为正的常数,,求及.
- 4.
设,求.
- 5.
设变换 可把方程简化为,求常数(其中二阶偏导数均连续).
- 1.
,因此在连续,但
此极限不存在,因此不存在. 同理也不存在.
- 2.
上一节中已证明在不连续.
3高阶偏导数与多元复合函数微分法
3.1 多元函数微分学概念关系
- 1.
可微可偏导、连续.
- 2.
存在且连续的可微.
- 3.
存在且有界的连续.
3.2 高阶偏导数及其特性
- 1.
若在区域上连续,则.
- 2.
若皆可微,且复合有意义,则有链式法则
3.3 例题
- 1.
设连续,求.
- 2.
证明:是波动方程的通解,其中连续.
- 3.
证明:满足热传导方程.
4复合函数与隐函数微分法
4.1 隐函数存在定理及隐函数微分法
设连续,,且或非零,则有
- 1.
,使得方程在中可唯一确定函数(隐函数),且.
- 2.
在中连续,且.
计算隐函数的技巧:结合链式法则,从外层逐层剥离所需的复合函数关于某变量的偏导数,再进行回代.
隐函数存在定理的反例
- 1.
考虑方程
在点处,,.然而,方程在附近确实存在隐函数(可以直接从方程中解出来)
但是在处不可导.这个例子说明定理中条件只是充分条件.
- 2.
考虑方程
(对应的曲线称为Descartes叶形线).对函数的两个变量分别求导得
. 注意到原点虽然满足方程,但是,定理在失效. 从图形上看,曲线在点处自相交,因此,在这一点的附近,任何给定的(或),都无法做到单值地对应一个(或).也就是说隐函数不可能存在. 一般地,若曲线自相交,则在交点处的两个偏导数一定为0,否则只要一个不为0,就会存在隐函数,这显然是不可能的.
4.2 例题
- 1.
设,而是由方程所确定的的函数,求.
- 2.
设是方程组 所确定的隐函数组,求.
- 3.
设是由下列方程所确定的隐函数组,求.
- (1)
;
- (2)
;
- (3)
- (1)
- 4.
求下列函数组所确定的反函数组的偏导数.
- (1)
- (2)
- (1)
5补充习题
- 1.
证明:在极坐标变换下,二维Laplace方程即可写为如下形式:
证由题意,
因此
- 2.
证明:在球坐标变换下,三维Laplace方程即可写为如下形式:
证由题意,
代入,按的各阶导数合并项可证.
- 3.
设方程组确定了隐函数组及反函数组
- (1)
求.
- (2)
证明2:.
解- i.
将方程组两端取微分得
利用的表达式,可求出对的偏导数. 不想算辣!
注此结论可推广至元情形:,其中 为行列式,其第元为(简记为).
- i.
- (1)
- 4.
证明:方程经变换后变成(其中二阶导数均连续),并求解此方程. 将反解得到,因此
那么方程可化为
方程两端同时乘16即可. 现利用化简后的偏微分方程(即关于的偏导数的方程),记,则方程写为
那么
注关于这类题在数理方程课程中有过讨论,其证明仅利用数学分析的知识,实际上并不困难,但这里只给出结论,有必要的话在后续课程中给出证明. 该偏微分方程对应的特征方程为. 由于,故该方程为双曲型的. 解该方程得和,即隐式解
因此作变量代换. 由于方程是双曲型的,因此这样的变量代换一定能将方程化为的形式. 利用此变量代换具体计算后和得系数. 当然,因为已知方程形式,一种偷懒的方式是只算各阶偏导数中的一阶导系数,而其余项不管.
- 5.
证明:方程经变换后变成(其中二阶导数均连续),并求解此方程.
证代入可证.
- 6.
设,其中都具有一阶连续偏导数,且,求.
解确定了,那么代入后,确定了. 由隐函数求辅导法则,
因此
- 7.
设是由方程和所确定的函数,其中和分别具有一阶连续导数和一阶连续偏导数,求.
解对两方程求全微分得
从中消去项,最终可得
- 8.
函数由方程组定义,求.
解