邓嘉驹
数学分析(B2)汇总/「朋辈助学」讲义

多元函数的微分学(一)

第二部分 · 第 4 份 · 2023.07.08 · 11 页 · Differential Calculus of Functions of Several Variables (I)

1多元函数的极限与连续性

1.1 平面点集

  1. 1.

    点的邻域(开区域):.

  2. 2.

    点集的内点:,使得.

  3. 3.

    开集:全由内点1组成的集合.

  4. 4.

    (开)区域:中任意两点均可用曲线连接(连通性).

  5. 5.

    闭区域(闭域),其中为的边界.

  6. 6.

    既为开集,又为闭集.

1.2 二元函数的极限与连续性

  1. 1.

    极限:设点,则若对,总,当时,满足,则称当时,以为极限,记作.

  2. 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. 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.

注

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. 1.

    有界性.

  2. 2.

    最值性.

  3. 3.

    介值性.

  4. 4.

    零值性.

  5. 5.

    一致连续性:对,总,使得当时,满足.

1.4 例题

  1. 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. (1)

      .

    2. (2)

      .

    3. (3)

      .

    4. (4)

      .

    5. (5)

      .

    6. (6)

  2. 2.

    研究的连续性.

解
  1. 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. 1.

    可微可偏导,且(反之未必).

  2. 2.

    可微连续(反之未必).

  3. 3.

    在处可微,其中.

2.4 例题

  1. 1.

    证明:在处连续但不可偏导.

  2. 2.

    证明:在处可偏导但不连续,从而不可微,并求.

  3. 3.

    设,为正的常数,,求及.

  4. 4.

    设,求.

  5. 5.

    设变换 可把方程简化为,求常数(其中二阶偏导数均连续).

解
  1. 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. 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. 1.

    可微可偏导、连续.

  2. 2.

    存在且连续的可微.

  3. 3.

    存在且有界的连续.

3.2 高阶偏导数及其特性

  1. 1.

    若在区域上连续,则.

  2. 2.

    若皆可微,且复合有意义,则有链式法则

3.3 例题

  1. 1.

    设连续,求.

  2. 2.

    证明:是波动方程的通解,其中连续.

  3. 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. 1.

    ,使得方程在中可唯一确定函数(隐函数),且.

  2. 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.

注

隐函数存在定理的反例

  1. 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. 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. 1.

    设,而是由方程所确定的的函数,求.

  2. 2.

    设是方程组 所确定的隐函数组,求.

  3. 3.

    设是由下列方程所确定的隐函数组,求.

    1. (1)

      ;

    2. (2)

      ;

    3. (3)

  4. 4.

    求下列函数组所确定的反函数组的偏导数.

    1. (1)

    2. (2)

5补充习题

  1. 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. 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. 3.

    设方程组确定了隐函数组及反函数组

    1. (1)

      求.

    2. (2)

      证明2:.

      解
      1. 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).

  4. 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. 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. 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. 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. 8.

    函数由方程组定义,求.

    解

    先从外层剥离分析:由于需要求关于的偏导数,因此结合第一式,希望得到和。 由最后两式可知,均只依赖于,而与无关,因此. 将后两式取全微分得3:

    从中解得

    因此

  1. 区别开集与闭集:是否包含边界点
  2. 见于多重积分坐标变换
  3. 实际上是因为最后一式无法给出与的直接关系