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"
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