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多元函数的基本概念

平面点集​

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多元函数的概念​

定义 1​

设 DD 是 R2\mathbf{R}^2 的一个非空子集,称映射 f:D→Rf: D \rightarrow \mathbf{R} 为定义在 DD 上的 二元函数 ,通常记为

z=f(x,y),(x,y)∈Dz = f(x, y), \quad (x, y) \in D

或

z=f(P),P∈Dz = f(P), \quad P \in D

其中点集 DD 称为该函数的 定义域 , xx 和 yy 称为 自变量 , zz 称为 因变量 。

多元函数的自然定义域​

关于多元函数的定义域,与一元函数相类似,我们作如下约定: 在一般地讨论用算式表达的多元函数 u=f(x)u=f(x) 时,就以使这个算式有意义的变元 xx 的值所组成的点集为这个多元函数的自然定义域。 因此,对这类函数,它的定义域不再特别标出。 例如,函数 z=ln⁡(x+y)z = \ln(x+y) 的定义域为

{(x,y)∣x+y>0}\{ (x,y) \mid x+y > 0 \}

多元函数的极限​

定义 2​

设二元函数 f(P)=f(x,y)f(P) = f(x, y) 的定义域为 DD , P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 是 DD 的聚点。 如果存在常数 AA,对于任意给定的正数 ε\varepsilon ,总存在正数 δ\delta ,使得当点 P(x,y)∈D∩U˚(P0,δ)P(x, y) \in D \cap \mathring{U} (P_0, \delta) 时,都有

∣f(P)−A∣=∣f(x,y)−A∣<ε|f(P) - A| = |f(x, y) - A| < \varepsilon

成立,那么就称常数 AA 为函数 f(x,y)f(x, y) 当 (x,y)→(x0,y0)(x, y) \rightarrow (x_0, y_0) 时的极限,记作

lim⁡(x,y)→(x0,y0)f(x,y)=A或f(x,y)→A((x,y)→(x0,y0))\lim_{(x, y) \rightarrow (x_0, y_0)} f(x, y) = A \quad \text{或} \quad f(x, y) \rightarrow A \quad ((x, y) \rightarrow (x_0, y_0))

也记作

lim⁡P→P0f(P)=A或f(P)→A(P→P0)\lim_{P \rightarrow P_0} f(P) = A \quad \text{或} \quad f(P) \rightarrow A \quad (P \rightarrow P_0)

为了区别于一元函数的极限,我们把二元函数的极限叫做 二重极限 。

多元函数的连续性​

定义 3​

设二元函数 f(P)=f(x,y)f(P) = f(x, y) 的定义域为 DD , P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 为 DD 的聚点,且 P0∈DP_0 \in D 。 如果

lim⁡(x,y)→(x0,y0)f(x,y)=f(x0,y0)\lim_{(x, y) \rightarrow (x_0, y_0)} f(x, y) = f(x_0, y_0)

那么称函数 f(x,y)f(x, y) 在点 P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 连续。

定义 4​

设函数 f(x,y)f(x, y) 的定义域为 DD,P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 是 DD 的聚点。 如果函数 f(x,y)f(x, y) 在点 P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 不连续,那么称 P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 为函数 f(x,y)f(x, y) 的间断点。

性质 1 (有界性与最值定理)​

在有界闭区域 DD 上的多元连续函数,必定在 DD 上有界,且能取得它的最大值和最小值。

性质 1 就是说,若 f(P)f(P) 在有界闭区域 DD 上连续,则必定存在常数 M>0M > 0 ,使得对于一切 P∈DP \in D ,有 ∣f(P)∣≤M|f(P)| \leq M ; 且存在 P1,P2∈DP_1, P_2 \in D ,使得

f(P1)=max⁡{f(P)∣P∈D},f(P2)=min⁡{f(P)∣P∈D}f(P_1) = \max \{f(P) \mid P \in D\}, \quad f(P_2) = \min \{f(P) \mid P \in D\}

性质 2 (介值定理)​

在有界闭区域 DD 上的多元连续函数必取得介于最大值和最小值间的任何值。

*性质 3 (一致连续性定理)​

在有界闭区域 DD 上的多元连续函数必定在 DD 上 一致连续 。

性质 3 就是说,若 f(P)f(P) 在有界闭区域 DD 上连续,则对于任意给定的正数 ε\varepsilon ,总存在正数 δ\delta ,使得对于 DD 上的任意两点 P1,P2P_1, P_2 ,只要当 ∣P1P2∣<δ|P_1 P_2| < \delta 时,都有

∣f(P1)−f(P2)∣<ε|f(P_1) - f(P_2)| < \varepsilon

成立。