1.二元函數的可偏導**
在二元函數中,一元函數的可導的概念變為可偏導,導函數的概念變為偏導函數,具體看下例:
二元函數f(x,y)對x、y的偏導函數分別為:
在求二元函數的偏導函數時,都是假設另外一個變量為常量,然后對余下那個變量求導數。例如,f(x,y)對x的偏導函數,就是假設y為常量,然后f(x,y)對變量x求導數即得。
對於某一點,函數f(x, y)在該點的兩個偏導數可能都存在、可能只存在一個、也可能都不存在。
在點(0, 0)的兩個偏導數只存在一個的函數例子:
在點(0, 0)的兩個偏導數都不存在的函數例子:
在點(0, 0)的兩個偏導數都存在的函數例子:
對於上面三個例子,小編建議大家親手去算算偏導數,這樣能加深對二元函數偏導數的理解。
2.二元函數的可微
某一點可微描述的是函數增量與自變量增量之間的線性關系。在一元函數中,若線性主部的系數只與該點有關,則可微。以此類推,在二元函數中,若多個自變量的線性主部的系數都只與該點有關,則可微。下面分別列出一元函數、二元函數函數增量與自變量增量之間的關系式:
對於一特定點,當A、B為常數時,即A、B與自變量增量無關,則函數在該點可微,且A、B分別為函數在該點對x、y求偏導后的偏導數。
3.可微、可偏導、連續、導函數連續之間的關系
為了方便比較一元函數,小編先給出一元函數在某點C上關於可微、可導、連續、導函數連續的關系圖。在圖1中,函數f(x)可微與可導等價,因此可微與可導之間是雙向箭頭;在點C可微、可導必能得出函數f(x)在點C連續,但連續不能推出f(x)在點C可導、可微。因此可微、可導與連續之間是單向箭頭。而導函數在點C連續,很明顯就能推出函數在點C可導、可微、連續,但反過來,無法推出導函數在點C連續。
圖1.一元函數可微、可導關系示意圖
小編提醒大家,一定要經常記憶上圖,而且是要理解性地記憶,比如說一元函數可微,要能明白可微是什么,關系式如何寫!
相比於一元函數,二元函數就復雜多了,下面先給出二元函數可微、可偏導、連續、導函數連續的關系圖。
圖2.多元函數可微、可偏導關系示意圖
當然在記憶這些關系時,我們通常要花時間記憶的是那些不容易理解的關系,而這些不容易理解的關系是與一元函數相比較后的那些不同之處。
3.1可微與可偏導不等價
在闡述二元函數可微與可偏導不等價前,不妨先回顧下,為什么一元函數中可微與可導是等價的?
在一元函數中,如果函數f(x)在x=x0處可導,則有如下關系式:
假設在一元函數中,函數增量與自變量存在如下關系:
上式兩邊同除以△x,然后兩邊對△x取極限,可知A=m,則根據一元函數可微的定義,A只與x=x0有關,與△x無關,所以f(x)在x=x0可微。同理,不難得出在一元函數中,可微亦可推出可導。
那么在二元函數中,如何論證可微必可推導呢?
假設二元函數在點C(x0, y0)可微,則由可微的定義,必存在(x0, y0)的某鄰域,使得下式成立:
不妨分別令△x=0、△y=0,根據①式可得:
之所以可以令△x=0、△y=0,是因為點(x0, y0+△y)和(x0+△x, y0)都在點(x0, y0)的可微鄰域內。
對②中兩式求極限,可得:
結合偏導數的定義和③中的兩個極限,可知可微情況下,函數在點C的兩個偏導數都存在,因此可微必可偏導。
盡管可微必可偏導,但反過來不成立,請看下面這個例子:
函數F在(0, 0)的兩個偏導數都存在且為0,現在用反證法證明函數F在點(0, 0)不可微。假設函數F在原點可微,則根據可微定義,下列極限必存在,但是下列極限可以通過列舉兩條路徑很容易驗證不存在,原假設錯誤,所以可偏導不一定可微。
3.2 可偏導不一定連續
在二元函數關系圖中,另外一個很讓人費解的地方,是二元函數在某點的兩個偏導數都存在,但是函數在這一點卻不一定連續。為了說明這一點,請看下面這個函數:
相信大家都能很熟練地計算出函數F在原點對x、y的偏導數均為0,但是當曲線沿着y=x的路徑趨於原點時,函數值會趨於1,不等於0,因此函數F在原點不連續。
從抽象的角度看,二元函數在某一點的兩個偏導數都存在,只能說明二元函數沿x方向、沿y方向趨於該點的值等於函數在該點的定義值,但無法保證沿其它方向趨於該點的值也等於函數值。