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全微分

由偏导数的定义知道,二元函数对某个自变量的偏导数表示当另一个自变量固定时,因变量相对于该自变量的变化率。 根据一元函数微分学中增量与微分的关系,可得

f(x+Δx,y)f(x,y)fx(x,y)Δxf(x + \Delta x, y) - f(x, y) \approx f_x(x, y) \Delta x f(x,y+Δy)f(x,y)fy(x,y)Δyf(x, y + \Delta y) - f(x, y) \approx f_y(x, y) \Delta y

上面两式的左端分别叫做二元函数对 xx 和对 yy偏增量 ,而右端分别叫做二元函数对 xx 和对 yy偏微分

定义

设函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 (x,y)(x,y) 的某邻域内有定义,如果函数在 (x,y)(x,y) 的全增量

Δz=f(x+Δx,y+Δy)f(x,y)\Delta z = f(x + \Delta x, y + \Delta y) - f(x, y)

可表示为

Δz=AΔx+BΔy+o(ρ)(3-2)\tag{3-2} \Delta z = A \Delta x + B \Delta y + o(\rho)

其中 AABB 不依赖于 Δx\Delta xΔy\Delta y 而仅与 xxyy 有关, ρ=(Δx)2+(Δy)2\rho = \sqrt{(\Delta x)^2 + (\Delta y)^2} ,那么称函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 (x,y)(x,y) 可微分 , 而 AΔx+BΔyA \Delta x + B \Delta y 称为函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 (x,y)(x,y)全微分 ,记作 dz\mathrm{d} z,即

dz=AΔx+BΔy\mathrm{d} z = A \Delta x + B \Delta y

如果函数在区域 DD 内各点处都可微分,那么称该函数 DD 内可微分

定理 1 (必要条件)

如果函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 (x,y)(x,y) 可微分,那么该函数在点 (x,y)(x,y) 的偏导数 zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y} 必定存在,且函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 在点 (x,y)(x,y) 的全微分为

dz=zxΔx+zyΔy(3-3)\tag{3-3} \mathrm{d} z = \frac{\partial z}{\partial x} \Delta x + \frac{\partial z}{\partial y} \Delta y

定理 2 (充分条件)

如果函数 z=f(x,y)z=f(x,y) 的偏导数 zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y} 在点 (x,y)(x,y) 连续,那么函数在该点可微分。

多元函数的偏导数在一点连续是指: 偏导数在该点的某个邻域内存在,于是偏导数在这个邻域内有定义,进而这个偏导函数在该点连续。