多元微积分期中
极限与连续
定义
对于函数f:U→V
重极限:
∀ε>0,∃δ>0,当x∈U,∥x−x0∥<0时,∥f(x)−A∥<ε⇓limx→x0f(x)=A
连续:
limx→x0f(x)=f(x0)
累次极限:
形如limx→x0limy→y0f(x,y)、limy→y0limx→x0f(x,y)
重极限与累次极限的关系
- 累次极限存在但不相等→重极限不存在
- 重极限存在、累次极限存在→累次极限相等
例题
例1:求极限:
limx→0,y→0√xy+1−1xy
解:
limx→0,y→0√xy+1−1xy=limx→0,y→0xyxy√xy+1+1=limx→0,y→01√xy+1+1=12
例2:求极限
limx→∞,y→∞x+yx2−xy+y2
解:由于 |x+yx2−xy+y2|≤|1y+1xxy+yx−1|≤|1y+1x|→0,故由夹逼准则知极限为0。
例3:证明
limx→0,y→0xy2x2+y2=0
解:
∣∣∣xy2x2+y2∣∣∣=|y|⋅|xy|x2+y2≤12|y|→0
例4:求极限
limx→0,y→0sin(x2y+y4)x2+y2
解:
由|sinx|≤|x|,则
∣∣∣sin(x2y+y4)x2+y2∣∣∣≤∣∣∣x2y+y4x2+y2∣∣∣≤∣∣∣x2yx2+y2∣∣∣+∣∣∣y4x2+y2∣∣∣=|y|⋅x2x2+y2+y2⋅y2x2+y2≤|y|+y2→0
例5:证明极限 lim(x,y)→(0,0)x2y2x2y2+(x−y)2 不存在
解:
当 (x,y) 沿着 y=x 趋近于 (0,0) 时
limx→0,y=xx2y2x2y2+(x−y)2=limx→0x4x4+(x−x)2=1
当 (x,y) 沿着 y=0 趋近于 (0,0) 时
limx→0,y=0x2y2x2y2+(x−y)2=0
因此极限不存在
多元函数的泰勒公式
对于函数 f(x,y) ,将其在 (x0,y0) 处进行展开
设
g(t)=f(x0+t(x−x0),y0+t(y−y0))
则
g(1)=f(x,y)
由泰勒公式,有
g(t)=g(0)+g′(0)t+12g′′(0)t2+16g′′′(ξ)t2ξ∈(0,t)
则
g(1)=g(0)+g′(0)+12g′′(0)+16g′′′(ξ)ξ∈(0,1)
又
g(0)=f(x0,y0)g′(0)=(x−x0)∂f∂x∣∣∣(x0,y0)+(y−y0)∂f∂y∣∣∣(x0,y0)g′′(0)=(x−x0)2∂2f∂x2∣∣∣(x0,y0)+2(x−x0)(y−y0)∂2f∂x∂y∣∣∣(x0,y0)+(y−y0)2∂2f∂y2
则
f(x,y)=f(x0,y0)+(x−x0)∂f∂x∣∣∣(x0,y0)+(y−y0)∂f∂y∣∣∣(x0,y0)+12(x−x0)2∂2f∂x2∣∣∣(x0,y0)+(x−x0)(y−y0)∂2f∂x∂y∣∣∣(x0,y0)+12(y−y0)2∂2f∂y2+o(x2+y2)
或
f(x,y)=f(x0,y0)+(x−x0)∂f∂x∣∣∣(x0,y0)+(y−y0)∂f∂y∣∣∣(x0,y0)+12(x−x0)2∂2f∂x2∣∣∣M+(x−x0)(y−y0)∂2f∂x∂y∣∣∣M+12(y−y0)2∂2f∂y2∣∣∣MM∈(x0,x)×(y0,y)
可微、全微分与偏导数
向量值函数的可微性
对于向量值函数f:Rm→Rn,如果存在线性映射L:Rm→Rn满足
limh→0∥f(x0+h)−f(h)−L(h)∥∥h∥=0
则称其在x0处可微,记微分
Df(h)=L(h)
标量函数的可微性、全微分与偏导数
如果一个多元标量函数 f 的全增量能够写成线性增量加上一个无穷小量,即
Δf=AΔx+BΔy+o(ρ)
其中ρ=√(Δx)2+(Δy)2,那么该函数在该点可微,其中A和B分别是该点对x和y的偏导数,记为∂f∂x=A,∂f∂y=B。
即
limΔx→0Δy→0Δf−AΔx−BΔy√(Δx)2+(Δy)2=0
或
limx→x0,y→y0f(x,y)−f(x0,y0)−A(x−x0)−B(y−y0)√(x−x0)2+(y−y0)2=0
记微分
df(x,y)=Ax+By
偏导数的定义如下:
fx(x0,y0)=∂f∂x∣∣∣(x0,y0)=limx→x0f(x,y0)−f(x0,y0)x−x0fy(x0,y0)=∂f∂y∣∣∣(x0,y0)=limy→y0f(x0,y)−f(x0,y0)y−y0
全微分为
df=∂f∂xdx+∂f∂ydy
雅各比矩阵
∂(y1,y2)∂(x1,x2)=⎡⎢
⎢
⎢⎣∂y1∂x1∂y1∂x2∂y2∂x1∂y2∂x2⎤⎥
⎥
⎥⎦
可微与偏导数连续的关系
(1) 偏导数连续 fx,fy 均连续,说明 f 可微,但 f 可微不一定偏导数连续
函数可微但偏导数不连续的例子:
f(x,y)={(x2+2)sin1x2+y2(x,y)≠(0,0)0(x,y)=(0,0)
(2)f 可微,则一阶偏导数均存在
(3)f 在 (x,y) 处可微,则 f 一定在 (x,y) 处连续
例题
例1:已知理想气体状态方程 PV=RT( R 为常数),求证
∂P∂V⋅∂V∂T⋅∂T∂P=−1
解:
P=RTV⇒∂P∂V=−RTV2V=RTP⇒∂V∂T=RPT=PVR⇒∂T∂P=VR
则
∂P∂V⋅∂V∂T⋅∂T∂P=−RTV2⋅RP⋅VR=−RTPV=−1
方向导数与梯度
方向导数
对函数f:v→R,记fv:t→f(x+tv),若fv对t的微分在t=0处存在,那么可定义f在x处沿方向v的导数为
Dvf(x)=∂f∂v=dfvdt∣∣∣t=0=limt→0f(x+tv)−f(x)t
当 v 是单位向量时,Dvf(x0,y0) 就是函数 f(x,y) 在 (x0,y0) 处的方向导数。
- Dv(f+g)=Dvf+Dvg
- Dv(cf)=cDvf
- Dv(fg)=gDvf+fDvg
- h:R→R,g:U→R,则Dv(h∘g)(x)=h′(g(x))Dvg(x)
- 方向导数存在时,偏导数不一定存在;可微是方向导数存在的充分条件,而不是必要条件。例:f=√x2+y2
梯度
梯度是一个矢量,梯度的方向是方向导数中取到最大值的方向,梯度的值是方向导数的最大值,函数 f(x) 在 x0 处的梯度记为∇f(x0)、∂f(x0)∂x或gradf(x0),且
∇f(x0)=[∂f∂x1⋯∂f∂xn]T
- ∇(c1f+c2g)=c1∇f+c2∇g
- ∇(fg)=f∇g+g∇f
- ∇(fg)=g∇f−f∇gg2
- h:R→R,g:U→R,则∇(h∘g)(x)=h′(g(x))∇g(x)
方向导数与梯度的关系
- 梯度的方向是方向导数中取到最大值的方向
- 梯度的值是方向导数的最大值
- Dvf=∇f⋅v
例题
例1:设 f(x,y)=⎧⎪⎨⎪⎩xy2x2+y4x2+y2≠00x2+y2=0,求 f 沿 →e=(cosθ,sinθ) 在点 (0,0) 的方向导数
解:
当 cosθ≠0 时
∂f∂→e∣∣∣(0,0)=limρ→0f(ρcosθ,ρsinθ)−f(0,0)ρ=limρ→0cosθsin2θcos2θ+ρ2sin4θ=sin2θcosθ
当 cosθ=0 时,f(ρcosθ,ρsinθ)=0
∂f∂→e∣∣∣(0,0)=0
例2:求函数 z=xe2y 在点 P(1,0) 处沿着从点P(1,0)到点Q(2,−1)的方向的方向导数
解:
→v=−−→PQ=(1,−1)
^v=(√22,−√22)
∇z(1,0)=(1,2)
∂z∂^v∣∣∣(1,0)=∇z(1,0)⋅^v=−√22
例3:设u=xyz+z2+5,求在点M(0,1,−1)处方向导数的最大值和最小值
解:
∵∂u∂x=yz∂u∂y=xz∂u∂z=xy+2z∴gradu(0,1,−1)=(yz,xz,xy+2z)|(0,1,−1)=(−1,0,−2)
因此
max{∂u∂v}=∥gradu∥=√5min{∂u∂v}=−∥gradu∥=−√5
多元复合函数求导
推导
(x,y)↦(u,v)↦f
则
df=∂f∂udu+∂f∂vdv
du=∂u∂xdx+∂u∂ydy
dv=∂v∂xdx+∂v∂ydy
因此
df=(∂f∂u∂u∂x+∂f∂v∂v∂x)dx+(∂f∂u∂u∂y+∂f∂v∂v∂y)dy
例题
例1:若 g(x,y,z)=ex3+y2+z,f(x,y)=g(x,y,xsiny),求 ∂f∂x
df=dg=∂g∂xdx+∂g∂ydy+∂g∂zdz=(∂g∂x+∂g∂z∂z∂x)dx+(∂g∂y+∂g∂z∂z∂y)dy
则
∂f∂x=∂g∂x+∂g∂z∂z∂x=(3x2+siny)ex3+y2+xsiny
例2:若函数 f(x+y,x−y)=x2−y2,求 ∂f(x,y)∂x+∂f(x,y)∂y
解:
令
{u=x+yv=x−y⇒⎧⎪
⎪⎨⎪
⎪⎩x=u+v2y=u−v2
则
∂f(u,v)∂u+∂f(u,v)∂v=(∂f∂x∂x∂u+∂f∂y∂y∂u)+(∂f∂x∂x∂v+∂f∂y∂y∂v)=12(u+v)+12(u−v)+12(u+v)−12(u−v)=u+v
则
∂f(x,y)∂x+∂f(x,y)∂y=x+y
隐函数定理及逆映射定理
隐函数定理
设 F:U⊂Rm+n→Rm 是一个Cp映射(P阶光滑),若 x0∈Rn,y0∈Rm,(x0,y0)∈U 满足
- F(x0,y0)=0
- ∂F∂y(x0,y0) 是 m 阶可逆矩阵
则存在 (x0,y0) 的领域 Ux×Uy⊂U,以及 Cp 映射 f:Ux→Uy,使得
F(x,y)=0⇔y=f(x)
且
f′(x)=−(∂F∂y)−1(∂F∂x)
其中f′(x)表示f(x)的Jacobi矩阵
:::danger
- F与f的像空间的维数相同,即F(x,y)的维数与f(x)的维数相同
:::
反函数定理
设 U⊂Rn,f:U→Rn是一个Cp的映射,若 f 在 x0 处的Jacobi矩阵是可逆矩阵,则反函数f−1也是Cp的映射,且
(f−1)′(y)=(f′(x))−1
或记作
Jf−1(y)=Jf(x)−1
关于逆映射定理的证明? - 知乎:https://www.zhihu.com/question/67456647
例题
例1:已知方程 x2+y2−4x−6y+12=0,求在点 (1,2) 处的切线方程。
解:
令F(x,y)=x2+y2−4x−6y+12
∂F∂x=2x−4∂F∂y=2y−6
在点 (1,2) 处,代入可得:
∂F∂x∣∣∣(1,2)=−2∂F∂y∣∣∣(1,2)=−2
斜率为
dydx∣∣∣(1,2)=−∂F∂x∣∣(1,2)∂F∂y∣∣(1,2)=−1
因此切线方程为:
x+y=3
例2:方程 x3+y3+z3=x+y+z 在点 (x,y,z)=(1,1,−1) 附近确定了一个二阶连续可微的隐函数 z=z(x,y) ,满足 z(1,1)=−1,则 ∂2z∂x∂y(1,1)=_____
解:
方程
x3+y3+z3(x,y)=x+y+z(x,y)
对 x 求偏导得:
3x2+3z2(x,y)∂z∂x=1+∂z∂x
再对 y 求偏导得:
6z(x,y)∂z∂x⋅∂z∂y+3z2(x,y)∂2z∂x∂y=∂2z∂x∂y
则
∂2z∂x∂y=6z1−3z2⋅∂z∂x⋅∂z∂y
又
∂z∂x=−1−3x21−3z2∂z∂y=−1−3y21−3z2
则
∂2z∂x∂y=6z(1−3x2)(1−3y2)(1−3z2)3
∂2z∂x∂y∣∣∣(1,1,−1)=3
极值
多元函数的无条件极值
当我们在优化一个函数时,Hesse矩阵是一个非常重要的概念。它是一个二阶导数矩阵,表示函数的曲率和凸性。在本篇笔记中,我们将学习Hesse矩阵的定义、性质以及如何计算它。
Hesse矩阵的定义
设f(x1,x2,...,xn)是一个具有二阶连续偏导数的函数,则f的Hesse矩阵H定义为:
Hi,j=∂2f∂xi∂xj
其中1≤i,j≤n。
Hesse矩阵的性质
Hesse矩阵是一个对称矩阵,即Hi,j=Hj,i。这是由于二阶偏导数的次序不影响结果。
如果f是一个凸函数,则H是一个半正定矩阵。
如果f是一个严格凸函数,则H是一个正定矩阵。
Hesse矩阵的计算
计算Hesse矩阵需要对每个变量求二阶偏导数。以下是一些常见函数的Hesse矩阵:
- f(x,y)=x2+y2的Hesse矩阵为:
H=[2002]
- f(x,y)=xy的Hesse矩阵为:
H=[0110]
- f(x,y)=x3+y3−3xy的Hesse矩阵为:
H=[6x−6y−6−66y−6x]
我们也可以用LaTeX来表示Hesse矩阵。例如,H=[2002]可以表示为Hi,j=∂2f∂xi∂xj=⎡⎢
⎢⎣∂2f∂x21∂2f∂x1∂x2∂2f∂x2∂x1∂2f∂x22⎤⎥
⎥⎦=[2002]。
以上就是Hesse矩阵的学习笔记,希望对你有所帮助!
首先令 ∂f∂xi=0 ,求出满足条件的点 x
多元函数的条件极值
对于一个多元函数
f(x1,x2,⋯,xn)
如果存在一些约束条件
g1(x1,x2,⋯,xn)=0g2(x1,x2,⋯,xn)=0⋮gm(x1,x2,⋯,xn)=0
可以通过拉格朗日乘数法来找到其条件极值点。
具体来说,我们需要建立拉格朗日函数:
L(x1,x2,⋯,xn,λ1,λ2,⋯,λm)=f(x1,x2,⋯,xn)−m∑i=1λigi(x1,x2,⋯,xn)
其中 λ1,λ2,⋯,λm 是拉格朗日乘数。然后我们需要求出拉格朗日函数的偏导数,并令其等于零,即:
∂L∂x1=0,∂L∂x2=0,⋯,∂L∂xn=0∂L∂λ1=0,∂L∂λ2=0,⋯,∂L∂λm=0
解这个方程组,就可以得到函数的条件极值点。
例题
求解函数 f(x,y)=x2+y2 在约束条件 g(x,y)=x+y−1=0 下的条件极值点。
首先,建立拉格朗日函数:
L(x,y,λ)=f(x,y)−λg(x,y)=x2+y2−λ(x+y−1)
然后求出偏导数:
∂L∂x=2x−λ=0
∂L∂y=2y−λ=0
∂L∂λ=x+y−1=0
解这个方程组,得到 x=y=12,代入原函数可得条件极值点 (12,12)。
接下来,我们需要判断这个点是否为条件极值点。我们可以通过求二阶偏导数来判断。计算得到:
∂2L∂x2=2,∂2L∂y2=2,∂2L∂x∂y=0
几何应用
曲面
对于曲面 z(x,y)上一点(x0,y0,z0),由于
dz=∂z∂xdx+∂z∂ydy(1)
同时
⎡⎢⎣dxdydz⎤⎥⎦=⎡⎢⎣x−x0y−y0z−z0⎤⎥⎦
得到切平面方程
z−z0=∂z∂x(x−x0)+∂z∂y(y−y0)
将(1)变形得到
∂z∂xdx+∂z∂ydy−dz=0
即
[∂z∂x∂z∂y−1]⎡⎢⎣dxdydz⎤⎥⎦=0
又[dxdydz]T为切平面中的向量,则(x0,y0,z0)处的法向量为
→n=[∂z∂x∂z∂y−1]T
同理,对于曲面f(x,y,z)=0上一点(x0,y0,z0)
df=∂f∂xdx+∂f∂ydy+∂f∂zdz=0
切平面为
∂f∂x(x−x0)+∂f∂y(y−y0)+∂f∂z(z−z0)=0
法向量为
→n=[∂f∂x∂f∂y∂f∂z]T
曲线
参数方程确定的空间曲线
若空间曲线 Γ 的参数方程为
⎧⎪⎨⎪⎩x=φ(t)y=ψ(t)t∈[α,β]z=ω(t)
曲线上一点 M 对应 t=t0,在曲线上靠近 M 的地方有一点 M′,则
−−−→M′M=(Δx,Δy,Δz)
割线 M′M 的方程为
x−x0Δx=y−y0Δy=z−z0Δz⇓x−x0ΔxΔt=y−y0ΔyΔt=z−z0ΔzΔt
当M′→M时,Δt→0,则切线方程为
x−x0φ′(t)=y−y0ψ′(t)=z−z0ω′(t)
则切向量为
(φ′(t),ψ′(t),ω′(t))
又由切向量是法平面的法向量,则法平面为
(x−x0)φ′(t)+(y−y0)ψ′(t)+(z−z0)ω′(t)=0
空间曲面相交形成的空间曲线
对于空间曲线 z1(x,y)∩z2(x,y) 上一点 (x0,y0,z0),其切线为两曲线切平面的交线,即为
⎧⎪
⎪
⎪⎨⎪
⎪
⎪⎩z−z0=∂z1∂x(x−x0)+∂z1∂y(y−y0)z−z0=∂z2∂x(x−x0)+∂z2∂y(y−y0)
切向量、法平面均借助同样的方法求得。
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