多元函数微积分期中复习复盘笔记

多元微积分期中

极限与连续

定义

对于函数f:UV
重极限:

ε>0,δ>0,xU,xx0<0,f(x)A<εlimxx0f(x)=A

连续:

limxx0f(x)=f(x0)

累次极限:

limxx0limyy0f(x,y)limyy0limxx0f(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:

limx0,y0xy+11xy

解:

limx0,y0xy+11xy=limx0,y0xyxyxy+1+1=limx0,y01xy+1+1=12


例2:求极限

limx,yx+yx2xy+y2

解:由于 |x+yx2xy+y2||1y+1xxy+yx1||1y+1x|0,故由夹逼准则知极限为0。


例3:证明

limx0,y0xy2x2+y2=0

解:

|xy2x2+y2|=|y||xy|x2+y212|y|0


例4:求极限

limx0,y0sin(x2y+y4)x2+y2

解:
|sinx||x|,则

|sin(x2y+y4)x2+y2||x2y+y4x2+y2||x2yx2+y2|+|y4x2+y2|=|y|x2x2+y2+y2y2x2+y2|y|+y20

例5:证明极限 lim(x,y)(0,0)x2y2x2y2+(xy)2 不存在
解:
(x,y) 沿着 y=x 趋近于 (0,0)

limx0,y=xx2y2x2y2+(xy)2=limx0x4x4+(xx)2=1

(x,y) 沿着 y=0 趋近于 (0,0)

limx0,y=0x2y2x2y2+(xy)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

g(t)=f(x0+t(xx0),y0+t(yy0))

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)

g(1)=g(0)+g(0)+12g(0)+16g(ξ)ξ(0,1)

g(0)=f(x0,y0)g(0)=(xx0)fx|(x0,y0)+(yy0)fy|(x0,y0)g(0)=(xx0)22fx2|(x0,y0)+2(xx0)(yy0)2fxy|(x0,y0)+(yy0)22fy2

f(x,y)=f(x0,y0)+(xx0)fx|(x0,y0)+(yy0)fy|(x0,y0)+12(xx0)22fx2|(x0,y0)+(xx0)(yy0)2fxy|(x0,y0)+12(yy0)22fy2+o(x2+y2)

f(x,y)=f(x0,y0)+(xx0)fx|(x0,y0)+(yy0)fy|(x0,y0)+12(xx0)22fx2|M+(xx0)(yy0)2fxy|M+12(yy0)22fy2|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:RmRn,如果存在线性映射L:RmRn满足

limh0f(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AB分别是该点对xy偏导数,记为fx=A,fy=B

limΔx0Δy0ΔfAΔxBΔy(Δx)2+(Δy)2=0

limxx0,yy0f(x,y)f(x0,y0)A(xx0)B(yy0)(xx0)2+(yy0)2=0

记微分

df(x,y)=Ax+By

偏导数的定义如下:

fx(x0,y0)=fx|(x0,y0)=limxx0f(x,y0)f(x0,y0)xx0fy(x0,y0)=fy|(x0,y0)=limyy0f(x0,y)f(x0,y0)yy0

全微分

df=fxdx+fydy

雅各比矩阵

(y1,y2)(x1,x2)=[y1x1y1x2y2x1y2x2]

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(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=RTR 为常数),求证

PVVTTP=1

解:

P=RTVPV=RTV2V=RTPVT=RPT=PVRTP=VR

PVVTTP=RTV2RPVR=RTPV=1

方向导数与梯度

方向导数

对函数f:vR,记fv:tf(x+tv),若fvt的微分在t=0处存在,那么可定义fx处沿方向v的导数为

Dvf(x)=fv=dfvdt|t=0=limt0f(x+tv)f(x)t

v单位向量时,Dvf(x0,y0) 就是函数 f(x,y)(x0,y0) 处的方向导数

  • Dv(f+g)=Dvf+Dvg
  • Dv(cf)=cDvf
  • Dv(fg)=gDvf+fDvg
  • h:RR,g:UR,则Dv(hg)(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)x0 处的梯度记为f(x0)f(x0)xgradf(x0),且

f(x0)=[fx1fxn]T

  • (c1f+c2g)=c1f+c2g
  • (fg)=fg+gf
  • (fg)=gffgg2
  • h:RR,g:UR,则(hg)(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=fv

例题

例1:设 f(x,y)={xy2x2+y4x2+y200x2+y2=0,求 f 沿 e=(cosθ,sinθ) 在点 (0,0) 的方向导数
解:
cosθ0

fe|(0,0)=limρ0f(ρcosθ,ρsinθ)f(0,0)ρ=limρ0cosθsin2θcos2θ+ρ2sin4θ=sin2θcosθ

cosθ=0 时,f(ρcosθ,ρsinθ)=0

fe|(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)

zv^|(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:

ux=yzuy=xzuz=xy+2zgradu(0,1,1)=(yz,xz,xy+2z)|(0,1,1)=(1,0,2)

因此

max{uv}=gradu=5min{uv}=gradu=5

多元复合函数求导

推导

(x,y)(u,v)f

df=fudu+fvdv

du=uxdx+uydy

dv=vxdx+vydy

因此

df=(fuux+fvvx)dx+(fuuy+fvvy)dy

例题

例1:若 g(x,y,z)=ex3+y2+zf(x,y)=g(x,y,xsiny),求 fx

df=dg=gxdx+gydy+gzdz=(gx+gzzx)dx+(gy+gzzy)dy

fx=gx+gzzx=(3x2+siny)ex3+y2+xsiny


例2:若函数 f(x+y,xy)=x2y2,求 f(x,y)x+f(x,y)y
解:

{u=x+yv=xy{x=u+v2y=uv2

f(u,v)u+f(u,v)v=(fxxu+fyyu)+(fxxv+fyyv)=12(u+v)+12(uv)+12(u+v)12(uv)=u+v

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

F:URm+nRm 是一个Cp映射(P阶光滑),若 x0Rn,y0Rm,(x0,y0)U 满足

  • F(x0,y0)=0
  • Fy(x0,y0)m 阶可逆矩阵

则存在 (x0,y0) 的领域 Ux×UyU,以及 Cp 映射 f:UxUy,使得

F(x,y)=0y=f(x)

f(x)=(Fy)1(Fx)

其中f(x)表示f(x)Jacobi矩阵

:::danger

  • Ff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

URnf:URn是一个Cp的映射,若 fx0 处的Jacobi矩阵是可逆矩阵,则反函数f1也是Cp的映射,且

(f1)(y)=(f(x))1

或记作

Jf1(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+y24x6y+12=0,求在点 (1,2) 处的切线方程。

解:
F(x,y)=x2+y24x6y+12

Fx=2x4Fy=2y6

在点 (1,2) 处,代入可得:

Fx|(1,2)=2Fy|(1,2)=2

斜率为

dydx|(1,2)=Fx|(1,2)Fy|(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 2zxy(1,1)=_____
解:
方程

x3+y3+z3(x,y)=x+y+z(x,y)

x 求偏导得:

3x2+3z2(x,y)zx=1+zx

再对 y 求偏导得:

6z(x,y)zxzy+3z2(x,y)2zxy=2zxy

2zxy=6z13z2zxzy

zx=13x213z2zy=13y213z2

2zxy=6z(13x2)(13y2)(13z2)3

2zxy|(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

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=2fxixj

其中1i,jn

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+y33xy的Hesse矩阵为:

H=[6x6y666y6x]

我们也可以用LaTeX来表示Hesse矩阵。例如,H=[2002]可以表示为Hi,j=2fxixj=[2fx122fx1x22fx2x12fx22]=[2002]

以上就是Hesse矩阵的学习笔记,希望对你有所帮助!

首先令 fxi=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)=0gm(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)i=1mλigi(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:

Lx1=0,Lx2=0,,Lxn=0Lλ1=0,Lλ2=0,,Lλm=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+y1=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+y2λ(x+y1)

然后求出偏导数:

Lx=2xλ=0

Ly=2yλ=0

Lλ=x+y1=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:

2Lx2=2,2Ly2=2,2Lxy=0

几何应用

曲面

对于曲面 z(x,y)上一点(x0,y0,z0),由于

(1)dz=zxdx+zydy

同时

[dxdydz]=[xx0yy0zz0]

得到切平面方程

zz0=zx(xx0)+zy(yy0)

(1)变形得到

zxdx+zydydz=0

[zxzy1][dxdydz]=0

[dxdydz]T为切平面中的向量,则(x0,y0,z0)处的法向量为

n=[zxzy1]T

同理,对于曲面f(x,y,z)=0上一点(x0,y0,z0)

df=fxdx+fydy+fzdz=0

切平面为

fx(xx0)+fy(yy0)+fz(zz0)=0

法向量为

n=[fxfyfz]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

MM=(Δx,Δy,Δz)

割线 MM 的方程为

xx0Δx=yy0Δy=zz0Δzxx0ΔxΔt=yy0ΔyΔt=zz0ΔzΔt

MM时,Δt0,则切线方程为

xx0φ(t)=yy0ψ(t)=zz0ω(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

(xx0)φ(t)+(yy0)ψ(t)+(zz0)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

{zz0=z1x(xx0)+z1y(yy0)zz0=z2x(xx0)+z2y(yy0)

切向量、法平面均借助同样的方法求得。

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