多變量微積分筆記4——全微分與鏈式法則


全微分

  《數學筆記11——微分和不定積分》中說明了什么是一元函數的微分,類似地,在多元函數中同樣存在微分的概念,它有一個確切的名字——全微分。

  《多變量微積分筆記1——偏導數》中,曾經提到過近似,對於f = f(x, y, z)的微小改變Δf,是對其所有變量的微小擾動的總量:

  當Δx→0,Δy→0,Δz→0時,約等於就變成了等於:

  這就是全微分,全微分包括所有能改變函數值的因素。

鏈式法則

  對於f = f(x, y, z),x = x(t), y = y(t), z = z(t),也就是xyz都是關於t的函數(可參考《線性代數筆記6——直線和參數方程》)。如果將t看作時間,此時Δf可以看作是在微小時間Δt變化后產生的影響:

  這就是鏈式法則的內容。

  也可以從微分的角度得出鏈式法則:

  示例

  w = x2y + z, x = t, y = et, z = sint,求w的全微分

  上面是根據鏈式法則的計算,如果直接把xyz代入w,w就變成了t的函數,對w直接求導:

  和鏈式法則得到了相同的結果,這說明鏈式法則和直接代入是一樣的。但如果x(t),y(t),z(t)很復雜,不能寫成t的顯函數,僅知道他們的偏導,那就只能使用鏈式法則了。

證明導數的乘法法則

  導數的乘法法則是這樣描述的:(uv)’ = u’v + uv’,可以用鏈式法則加以證明。

  令f = uv,u = u(t), v = v(t)

證明導數的除法法則

  用鏈式法則證明導數的除法法則:u/v = (u’v = uv’)/v2

  令f = u/v,u = u(t), v = v(t)

對多變量使用鏈式法則

  在極坐標中,x = x(u, v), y = (u, v),退化成直角坐標后f = f(x, y),如何求f的全微分?這與之前不同,將x,y代入f后仍有兩個變量,這需要連續使用鏈式法則:

  x和y的微小改變導致了f的改變,而u和v的微小改變有導致了x和y的改變,這樣傳遞的結果就變成了u和v的微小改變有導致了f的改變。

  需要注意的是最終結果中的偏導:

  對於偏導,不能像導數一樣使用約分,即:

  也就是說d可以消元,δ則不行。

綜合示例

示例1

  f = f(x, y), x = rcosθ,y = rsinθ,求df

示例2

z = x2 + y2,x = u2 – v2 ,y = uv,求z的全微分

解法一,使用鏈式法則:

  解法二,直接代入:

 


 

   出處:微信公眾號 "我是8位的"

   本文以學習、研究和分享為主,如需轉載,請聯系本人,標明作者和出處,非商業用途! 

   掃描二維碼關注作者公眾號“我是8位的”


免責聲明!

本站轉載的文章為個人學習借鑒使用,本站對版權不負任何法律責任。如果侵犯了您的隱私權益,請聯系本站郵箱yoyou2525@163.com刪除。



 
粵ICP備18138465號   © 2018-2025 CODEPRJ.COM