一、多元函数极限与连续

1. 多元函数的极限与连续性的证明与计算

  1. 极限/连续的定义:条件放大(在一个空心邻域内),适当放大(使得函数仍为一个无穷小量,形式简单),保留 |x|,|y|,x2+y2 在分子上。

  2. Taylor公式 也可以用。

  3. 极限运算性质。

  4. 换元变化为一元函数极限。

  5. 初等函数连续。

2. 判断极限不存在

  1. 取不同路径。

  2. 两个二次极限(累次极限)都存在但不相等。

注意:两个二次极限均存在且相等不能推出二元极限存在。

二、偏导与可微

1. 可微的定义

设 z=f(x,y),(x,y)∈D 。若 f 在 D 的内点 (x0,y0) 处的全增量 Δz 可表示为:

Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)=AΔx+BΔy+o((Δx)2+(Δy)2)

其中 A,B∈R ,则称 z=f(x,y) 在 (x0,y0) 处可微,线性部分 AΔx+BΔy 为 f 在 (x0,y0) 处的全微分,记为:

dz|(x0,y0)=df|(x0,y0)=AΔx+BΔy

注 (1):A,B 仅与 (x0,yo) 有关。 注 (2):可微的定义用极限描述: 存在 A,B∈R,使得:

lim(Δx,Δy)→(0,0)|Δz−AΔx−BΔy|Δx2+Δy2=0

2. 连续、可导、可微之间的关系

定理1 (可微的必要条件):若 f(x,y) 在点 (x0,y0)∈D 处可微,则 f 在该点处关于 x,y 均可偏导,且在全微分定义中 A=fx(x0,y0),B=fy(x0,y0)。

注 (1):f 的全微分可以记为 df=fx dx+fy dy。 注 (2):二元函数可微的判断:验证下式是否为0

lim(Δx,Δy)→(0,0)|Δz−fx(x0,y0)Δx−fy(x0,y0)Δy|Δx2+Δy2

注 (3):一看连续,二看偏导,三看偏导数连续,四看定义。

定理2 (可微性的充分条件):若 f(x,y) 的偏导数 fx,fy 在 (x0,y0) 处二元连续,则 f(x,y) 在 (x0,y0) 处可微。

注:条件充分而非必要。

3. 多元函数在一点的导数

  1. 按定义。

  2. fx(x0,y0)=df(x,y0)dx。

  3. fx 连续,则 fx(x0,y0)=fx(x,y)|(x0,y0)。

4. 要用定义计算偏导数的函数

  1. 抽象函数

  2. 分段函数

5. 多元复合函数

6. 隐函数

  1. 确定隐函数类型。

  2. 偏导法(例如 z 是 x,y 的函数),全微分法(变量等价)。

7. 高阶偏导数计算

8. 方程变换

  1. 函数关系理顺。

  2. 复合函数的偏导数和高阶偏导数的计算。

9. 方向导数

  1. 定义

    z=f(x,y) 在点 (x0,y0) 沿方向 l→=(cos⁡α,sin⁡α) 的方向导数定义为:

    limt→0f(x0+tcos⁡α,y0+tsin⁡α)−f(x0,y0)t

    记为 ∂z∂l→|(x0,y0) 或 ∂f∂l→|(x0,y0)。

  2. 方向导数的定理

    设 z=f(x,y) 在 (x0,y0) 处可微,则 f 在该点处沿任意方向 l→=(cos⁡α,cos⁡β) 的方向导数存在,且有:

    ∂z∂l→=fx(x0,y0)cos⁡α+fy(x0,y0)cos⁡β

    类似地,三元函数 u=f(x,y,z) 可微,则在 P0(x0,y0,z0) 沿 l→=(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ) 的方向导数为:

    ∂u∂l→|P0=fx(P0)cos⁡α+fy(P0)cos⁡β+fz(P0)cos⁡γ

    注:单个点的方向导数最好用定义做,少用定理。

10. 梯度

  1. 定义

    设 u=f(x,y) 在点 P0(x0,y0) 处可微,称向量 (fx(P0),fy(P0)) 为 f 在 P0 处的梯度,记为 gradf|P0 或 gradf(P0)。

    梯度 gradf 的模(长度)为 ∥gradf∥=fx2(P0)+fy2(P0)。

    引入算子记号(称为哈密顿算子或者向量微分算子)∇≜(∂∂x,∂∂y),则梯度可记为 ∇f|P0 或 ∇f(P0)。

    三元类似。

  2. 意义

    • 简化方向导数的计算 (函数在该点处可微)

      ∂f∂l→=∇f⋅l→0
    • 找到函数值增长/下降最快的方向

      • 沿着 gradf 方向时,∂f∂l→ 达到最大值 ∥gradf∥,函数值增长最快。

      • 沿着 gradf 相反的方向时,∂f∂l→ 达到最小值 −∥gradf∥,函数值下降最快。

    注意:最大值是向量模长,要开根号。

三、极值与最值

1. 计算极值的步骤

  1. 由 fx(x,y)=0,fy(x,y)=0 解出驻点。

  2. 在驻点处计算 A=fxx,B=fxy,C=fyy,并判断 AC−B2 的符号,利用定理确定极值点和极值。

注:如果 AC−B2=0,尝试特殊路径、因式分解、Taylor高阶展开等方法。

2. 条件极值

  1. 处理方法

    • 将问题转化为无条件极值问题(未必都可以)。

    • Lagrange乘数法

      利用Lagrange乘数法求函数 z=f(x,y) 在条件 φ(x,y)=0 下的极值步骤如下:

      1. 明确目标函数和约束条件,构造Lagrange函数 L(x,y,λ)=f(x,y)+λφ(x,y)。

      2. 从方程组 Lx=0,Ly=0,Lλ=0 (即 φ=0) 中解出可疑极值点 (x0,y0)。

      3. 考察 (x0,y0) 是否为极值点。

      条件是:φ(x,y)=0 的隐函数存在。 当问题存在条件极值,而方程组解唯一时,该点必为极值点,否则应另行讨论。

      注意:

      • 在构造Lagrange函数时,需要灵活地构造。

      • 有几个条件就可以设几个拉格朗日乘子。

      例:在椭球 x2a2+y2b2+z2c2=1(a,b,c>0) 内嵌入有最大体积的长方体(各面平行于坐标面)。

      分析:等价于求函数 V=8xyz 的最大值,或函数 f=ln⁡x+ln⁡y+ln⁡z 在条件 x2a2+y2b2+z2c2=1 下的极值问题。

3. 条件极值的充分条件

考虑目标函数 f(x,y,z),约束条件 φ(x,y,z)=0,ψ(x,y,z)=0 的极值问题。

引进Lagrange函数,函数 f 的条件极值问题转化为了 Lagrange函数 L 的无条件极值问题。

4. 计算最值的步骤

  1. 确定驻点、不可导点和边界点(边界点包括边界上一元函数的极值点和端点)。

  2. 比较这些点函数值的大小。

总结:

  1. D 内部 → 极值点。

  2. ∂D (边界)上 → 退化后的一元函数最值点。

  3. 比较所有候选点的函数值。

注:

  • 解题第一步就是要写“有界闭域上的连续函数最值必定存在”。

  • 二元函数在区域中如果有唯一的极值点,该点不一定是最值点。

四、多元函数泰勒公式

1. 多元函数泰勒公式

设 f(x,y) 在 (x0,y0) 某邻域内有 n+1 阶连续偏导数,则在该邻域内任一点 (x0+Δx,y0+Δy) 处恒成立:

f(x0+Δx,y0+Δy)=f(x0,y0)+(Δx∂∂x+Δy∂∂y)f(x0,y0)+⋯+1n!(Δx∂∂x+Δy∂∂y)nf(x0,y0)+1(n+1)!(Δx∂∂x+Δy∂∂y)n+1f(x0+θΔx,y0+θΔy)

其中 0<θ<1。

2. 多元函数的微分中值定理

若 f(x,y) 在凸区域 D 上可微,则对D内任意两点 (x0,y0) 和 (x0+Δx,y0+Δy),存在 0<θ<1 :

f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)=fx(x0+θΔx,y0+θΔy)Δx+fy(x0+θΔx,y0+θΔy)Δy

注:此处的 D 是个凸域,即 D 上任意两点之间的连线均在 D 内。

3. Taylor用于放缩

五、偏导数在几何中的应用

1. 空间曲线的切线与法平面

  1. 参数方程的情况

    曲线 l:{x=x(t)y=y(t)z=z(t),x′2(t)+y′2(t)+z′2(t)≠0

    • 切向量:(x′(t),y′(t),z′(t))

    • 曲线 l 过 P0(x0,y0,z0) (对应参数 t0)的切线方程为:

      x−x0x′(t0)=y−y0y′(t0)=z−z0z′(t0)
    • 法平面方程为:

      x′(t0)(x−x0)+y′(t0)(y−y0)+z′(t0)(z−z0)=0
  2. 一般式方程(曲面交线)的情况

    空间光滑曲线 {F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0

    • 在 P0 处的法平面方程为:

      |x−x0y−y0z−z0Fx(P0)Fy(P0)Fz(P0)Gx(P0)Gy(P0)Gz(P0)|=0
    • 在 P0 处的切线方程为:

      x−x0∂(F,G)∂(y,z)|P0=y−y0∂(F,G)∂(z,x)|P0=z−z0∂(F,G)∂(x,y)|P0

2. 空间曲面的切平面与法线

  1. 隐式方程的情况

    光滑曲面 F(x,y,z)=0

    • 过 P0(x0,y0,z0) 点的切平面方程为:

      Fx(P0)(x−x0)+Fy(P0)(y−y0)+Fz(P0)(z−z0)=0
    • 过 P0(x0,y0,z0) 点的法线方程为:

      x−x0Fx(P0)=y−y0Fy(P0)=z−z0Fz(P0)

      注:特别地,曲面 z=f(x,y) 在 P0(x0,y0,z0) 处的:

    • 切平面方程为:fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0)−(z−z0)=0

    • 法线方程为:x−x0fx(x0,y0)=y−y0fy(x0,y0)=z−z0−1

  2. 参数方程的情况

    曲面 {x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)

    • P0 点处的切平面方程:

      |x−x0y−y0z−z0xu(P0)yu(P0)zu(P0)xv(P0)yv(P0)zv(P0)|=0
    • P0 点处的法线方程:

      x−x0∂(y,z)∂(u,v)|P0=y−y0∂(z,x)∂(u,v)|P0=z−z0∂(x,y)∂(u,v)|P0

注意:面对曲面/曲线的切(法)平面/法(切)线垂直或者平行于另一个平面或直线的情况,注意向量到底是互相平行的还是互相垂直的。