文章目錄
- 1 復習一元函數復合函數求導
- 2 一元函數與多元函數復合的情形
- 3 多元函數與多元函數復合的情形
- 4 其他情形
- 5 抽象復合函數求導
- 6 全微分不變性
- 結語
1 復習一元函數復合函數求導
y = f ( u ) , u = ? ( x ) ? f [ ? ( x ) ] d y d x = d y d u ? d u d x = f ′ ( u ) ? ? ′ ( x ) = f ′ [ ? ( x ) ] ? ? ′ ( x ) y=f(u),u=\phi(x) \Rightarrow f[\phi(x)]\\ \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}=f{'}(u)\cdot \phi{'}(x)=f{'}[\phi(x)]\cdot\phi{'}(x) y=f(u),u=?(x)?f[?(x)]dxdy?=dudy??dxdu?=f′(u)??′(x)=f′[?(x)]??′(x)
注:
- 復合關系圖: d y d u ? d u d x = d y d x x → u → y \frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}=\frac{dy}{dx}\hskip1em x\rightarrow u\rightarrow y dudy??dxdu?=dxdy?x→u→y
2 一元函數與多元函數復合的情形
定理1 如果函數 u = ? ( t ) 及 v = ψ ( t ) u=\phi(t)及v=\psi(t) u=?(t)及v=ψ(t)都在點t處可導,函數 z = f ( u , v ) z=f(u,v) z=f(u,v)在對應點 ( u , v ) (u,v) (u,v)具有連續偏導數,那么復合函數 z = f [ ? ( t ) , ψ ( t ) ] 在點 t z=f[\phi(t),\psi(t)]在點t z=f[?(t),ψ(t)]在點t可導,且有
d z d t = ? z ? u d u d t + ? z ? v d v d t \frac{dz}{dt}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{du}{dt}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{dv}{dt} dtdz?=?u?z?dtdu?+?v?z?dtdv?
設 t 獲得增量 Δ t , 此時 u = ? ( t ) , v = ψ ( t ) 獲得增量 Δ u , Δ v 由此 z = f ( u , v ) 相應獲得增量 Δ z 函數 z = f ( u , v ) 在點 ( u , v ) 具有連續偏導, Δ z = ? z ? u Δ u + ? v ? v Δ v + ? 1 Δ u + ? 2 Δ v 當 Δ u → 0 , Δ v → 0 時, ? 1 → 0 , ? 2 → 0 上式兩邊各除以 Δ t ,得 Δ z Δ t = ? z ? u Δ u Δ t + ? z ? v Δ v Δ t + ? 1 Δ u Δ t + ? 2 Δ v Δ t ∵ 當 Δ → 0 , Δ u → 0 , Δ v → 0 , Δ u Δ t → d u d t , Δ v Δ t = d v d t ∴ lim ? Δ t → 0 Δ z Δ t = ? z ? u d u d t + ? z ? v d v d t 設t獲得增量\Delta t,此時u=\phi(t),v=\psi(t)獲得增量\Delta u,\Delta v\\ 由此z=f(u,v)相應獲得增量\Delta z\\ 函數z=f(u,v)在點(u,v)具有連續偏導,\\ \Delta z=\frac{\partial z}{\partial u}\Delta u+\frac{\partial v}{\partial v}\Delta v +\epsilon_1\Delta u+\epsilon_2\Delta v\\ 當\Delta u\to 0,\Delta v\to 0時,\epsilon_1\to0,\epsilon_2\to0\\ 上式兩邊各除以\Delta t,得\\ \frac{\Delta z}{\Delta t}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\Delta u}{\Delta t}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{\Delta v}{\Delta t}+\epsilon_1\frac{\Delta u}{\Delta t}+\epsilon_2\frac{\Delta v}{\Delta t}\\ \because 當\Delta \to0,\Delta u\to0,\Delta v\to0,\frac{\Delta u}{\Delta t}\to\frac{du}{dt},\frac{\Delta v}{\Delta t}=\frac{dv}{dt}\\ \therefore \lim\limits_{\Delta t\to0}{\frac{\Delta z}{\Delta t}}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{du}{dt}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{dv}{dt} 設t獲得增量Δt,此時u=?(t),v=ψ(t)獲得增量Δu,Δv由此z=f(u,v)相應獲得增量Δz函數z=f(u,v)在點(u,v)具有連續偏導,Δz=?u?z?Δu+?v?v?Δv+?1?Δu+?2?Δv當Δu→0,Δv→0時,?1?→0,?2?→0上式兩邊各除以Δt,得ΔtΔz?=?u?z?ΔtΔu?+?v?z?ΔtΔv?+?1?ΔtΔu?+?2?ΔtΔv?∵當Δ→0,Δu→0,Δv→0,ΔtΔu?→dtdu?,ΔtΔv?=dtdv?∴Δt→0lim?ΔtΔz?=?u?z?dtdu?+?v?z?dtdv?
注:
- d z d t 稱為全導數 \frac{dz}{dt}稱為全導數 dtdz?稱為全導數
- 復合關系圖
例1 z = u 2 e v , u = sin ? t , v = e t ,求 d z d t z=u^2e^v,u=\sin t,v=e^t,求\frac{dz}{dt} z=u2ev,u=sint,v=et,求dtdz?
解: d z d t = ? z ? u d u d t + ? z ? v d v d t = 2 sin ? t ? e e t cos ? t + ( sin ? t ) 2 ? e e t ? e t = sin ? t e e t ( 2 cos ? t + sin ? t e t ) 解:\\ \frac{dz}{dt}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{du}{dt}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{dv}{dt}\\ =2\sin t\cdot e^{e^t}\cos t+(\sin t)^2\cdot e^{e^t}\cdot e^t\\ =\sin t e^{e^t}(2\cos t+\sin t e^{t}) 解:dtdz?=?u?z?dtdu?+?v?z?dtdv?=2sint?eetcost+(sint)2?eet?et=sinteet(2cost+sintet)
3 多元函數與多元函數復合的情形
定理2 如果函數 u = ? ( x , y ) 及 v = ψ ( x , y ) 都在點 ( x , y ) u=\phi(x,y)及v=\psi(x,y)都在點(x,y) u=?(x,y)及v=ψ(x,y)都在點(x,y)具有對x及對y的偏導數,函數 z = f ( u , v ) 在對應點 ( u , v ) z=f(u,v)在對應點(u,v) z=f(u,v)在對應點(u,v)具有連續偏導數,那么復合函數 z = f [ ? ( x , y ) , ψ ( x , y ) ] 在點 ( x , y ) z=f[\phi(x,y),\psi(x,y)]在點(x,y) z=f[?(x,y),ψ(x,y)]在點(x,y)的連個偏導數都存在,且有
? z ? x = ? z ? u ? u ? x + ? z ? v ? v ? x ? z ? y = ? z ? u ? u ? y + ? z ? v ? v ? y \frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x} \\ \frac{\partial z}{\partial y}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial y}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial y} \\ ?x?z?=?u?z??x?u?+?v?z??x?v??y?z?=?u?z??y?u?+?v?z??y?v?
注:
- 復合關系圖:
例3 z = e u sin ? v , u = x y , v = x + y , 求 ? z ? x , ? z ? y z=e^u\sin v,u=xy,v=x+y,求\frac{\partial z}{\partial x},\frac{\partial z}{\partial y} z=eusinv,u=xy,v=x+y,求?x?z?,?y?z?
解: ? z ? x = ? z ? u ? u ? x + ? z ? v ? v ? x = e x y sin ? ( x + y ) y + e x y cos ? ( x + y ) ( 1 + y ) 解:\\ \frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x}\\ =e^{xy}\sin(x+y)y+e^{xy}\cos(x+y)(1+y)\\ 解:?x?z?=?u?z??x?u?+?v?z??x?v?=exysin(x+y)y+exycos(x+y)(1+y)
4 其他情形
定理3 如果函數 u = ? ( x , y ) 在點 ( x , y ) u=\phi(x,y)在點(x,y) u=?(x,y)在點(x,y)具有對x及對y的偏導數,函數 v = ψ ( y ) 在點 y v=\psi(y)在點y v=ψ(y)在點y具有對點y可導,函數 z = f ( u , v ) 在對應點 ( u , v ) z=f(u,v)在對應點(u,v) z=f(u,v)在對應點(u,v)具有連續偏導數,那么復合函數 z = f [ ? ( x , y ) , ψ ( y ) ] 在點 ( x , y ) z=f[\phi(x,y),\psi(y)]在點(x,y) z=f[?(x,y),ψ(y)]在點(x,y)的兩個偏導數存在,且有
? z ? x = ? z ? u ? u ? x ? z ? y = ? z ? u ? u ? y + ? z ? v d v d y \frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x} \\ \frac{\partial z}{\partial y}=\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial y}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{d v}{d y} \\ ?x?z?=?u?z??x?u??y?z?=?u?z??y?u?+?v?z?dydv?
注:
-
復合關系圖:
-
推廣:復合函數的某些中間變量又是復合函數的自變量,比如 z = f ( u , x , y ) , u = ? ( x , y ) z=f(u,x,y),u=\phi(x,y) z=f(u,x,y),u=?(x,y)
令 v = x , w = y ,則 ? v ? x = 1 , ? v ? y = 0 ? w ? x = 0 , ? w ? y = 1 則 ? z ? x = ? f ? u ? u ? x + ? f ? x ? z ? y = ? f ? u ? u ? y + ? f ? y 令v=x,w=y,則\\ \frac{\partial v}{\partial x}=1,\frac{\partial v}{\partial y}=0\\ \frac{\partial w}{\partial x}=0,\frac{\partial w}{\partial y}=1 \\ 則 \frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial f}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial f}{\partial x}\\ \frac{\partial z}{\partial y}=\frac{\partial f}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial y}+\frac{\partial f}{\partial y} 令v=x,w=y,則?x?v?=1,?y?v?=0?x?w?=0,?y?w?=1則?x?z?=?u?f??x?u?+?x?f??y?z?=?u?f??y?u?+?y?f?
例5 u = f ( x , y , z ) = e x 2 + y 2 + z 2 , z = x 2 sin ? y u=f(x,y,z)=e^{x^2+y^2+z^2},z=x^2\sin y u=f(x,y,z)=ex2+y2+z2,z=x2siny
? u ? x = ? f ? x + ? f ? z ? z ? x = e x 2 + y 2 + ( x 2 sin ? y ) 2 2 x + e x 2 + y 2 + ( x 2 sin ? y ) 2 2 x 2 sin ? y 2 x sin ? y = 2 x e x 2 + y 2 + x 4 sin ? 2 y ( 1 + 2 x 2 sin ? 2 y ) ? z ? y = ? f ? y + ? f ? z ? z ? y = 2 ( y + x 4 sin ? y cos ? y ) e x 2 + y 2 + x 4 sin ? 2 y \frac{\partial u}{\partial x}=\frac{\partial f}{\partial x}+\frac{\partial f}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial x}\\ =e^{x^2+y^2+(x^2\sin y)^2}2x+e^{x^2+y^2+(x^2\sin y)^2}2x^2\sin y2x\sin y\\ =2xe^{x^2+y^2+x^4\sin^2y}(1+2x^2\sin^2y)\\ \frac{\partial z}{\partial y}=\frac{\partial f}{\partial y}+\frac{\partial f}{\partial z}\frac{\partial z}{\partial y}\\ =2(y+x^4\sin y\cos y)e^{x^2+y^2+x^4\sin^2 y} ?x?u?=?x?f?+?z?f??x?z?=ex2+y2+(x2siny)22x+ex2+y2+(x2siny)22x2siny2xsiny=2xex2+y2+x4sin2y(1+2x2sin2y)?y?z?=?y?f?+?z?f??y?z?=2(y+x4sinycosy)ex2+y2+x4sin2y
5 抽象復合函數求導
為了寫法和計算的f方便,引入記號
f ( u , v ) : { f ′ u → f 1 ′ , f v ′ → f 2 ′ f ′ u ′ u → f 1 ′ ′ 1 , f u ′ ′ v → f 1 ′ ′ 2 f(u,v):\\ \begin{cases} f{'}_u\rightarrow f^{'}_1,f^{'}_v\rightarrow f^{'}_2\\ f{'}_u{'}_u\rightarrow f^{'}_1{'}_1,f^{'}_u{'}_v\rightarrow f^{'}_1{'}_2\\ \end{cases} f(u,v):{f′u?→f1′?,fv′?→f2′?f′u?′u?→f1′?′1?,fu′?′v?→f1′?′2??
例7 w = f ( x + y + z , x y z ) , f 具有二階連續偏導數,求 ? w ? x , ? 2 w ? x ? z w=f(x+y+z,xyz),f具有二階連續偏導數,求\frac{\partial w}{\partial x},\frac{\partial^2 w}{\partial x\partial z} w=f(x+y+z,xyz),f具有二階連續偏導數,求?x?w?,?x?z?2w?
解: 令 u = x + y + z , v = x y z ? w ? x = ? w ? u ? u ? x + ? w ? v ? v ? x = f 1 ′ + y z f ′ 2 ? 2 w ? x ? z = ? f 1 ′ ? z + y f 2 ′ + y z ? f 2 ′ ? z ? f u ? z = f u u + x y f u v ? f v ? z = f v u + x y f v v ? 2 w ? x ? z = f u u + x y f u v + y f v + y z ( f v u + x y f v v ) = f u u + y ( x + z ) f u v + x y 2 z f v v + y f v 解:\\ 令u=x+y+z,v=xyz\\ \frac{\partial w}{\partial x}=\frac{\partial w}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial w}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x}\\ =f^{'}_1+yzf{'}_2\\ \frac{\partial^2 w}{\partial x\partial z}=\frac{\partial f^{'}_1}{\partial z}+yf^{'}_2+yz\frac{\partial f^{'}_2}{\partial z}\\ \frac{\partial f_u}{\partial z}=f_{uu}+xyf_{uv}\\ \frac{\partial f_v}{\partial z}=f_{vu}+xyf_{vv}\\ \frac{\partial^2 w}{\partial x\partial z}=f_{uu}+xyf_{uv}+yf_v+yz(f_{vu}+xyf_{vv})\\ =f_{uu}+y(x+z)f_{uv}+xy^2zf_{vv}+yf_v 解:令u=x+y+z,v=xyz?x?w?=?u?w??x?u?+?v?w??x?v?=f1′?+yzf′2??x?z?2w?=?z?f1′??+yf2′?+yz?z?f2′???z?fu??=fuu?+xyfuv??z?fv??=fvu?+xyfvv??x?z?2w?=fuu?+xyfuv?+yfv?+yz(fvu?+xyfvv?)=fuu?+y(x+z)fuv?+xy2zfvv?+yfv?
6 全微分不變性
設函數 z = f ( u , v ) 具有連續偏導數 z=f(u,v)具有連續偏導數 z=f(u,v)具有連續偏導數,則有全微分
d z = ? z ? u d u + ? z ? v d v dz=\frac{\partial z}{\partial u}du+\frac{\partial z}{\partial v}dv dz=?u?z?du+?v?z?dv
如果 u = ? ( x , y ) , v = ψ ( x , y ) u=\phi(x,y),v=\psi(x,y) u=?(x,y),v=ψ(x,y),且兩個函數具有連續偏導數 ,那么復合函數 z = f [ ? ( x , y ) , ψ ( x , y ) ] z=f[\phi(x,y),\psi(x,y)] z=f[?(x,y),ψ(x,y)]的全微分
d z = ? z ? x d x + ? z ? y d y dz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy dz=?x?z?dx+?y?z?dy
d z = ( ? z ? u ? u ? x + ? z ? v ? v ? x ) d x + ( ? z ? u ? u ? y + ? z ? v ? v ? y ) d y = ? z ? u ( ? u ? x d x + ? u ? y d y ) + ? z ? v ( ? u ? x d x + ? v ? y d y ) = ? z ? u d u + ? z ? v d v dz=(\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x})dx+(\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial y}+\frac{\partial z}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial y})dy\\ =\frac{\partial z}{\partial u}(\frac{\partial u}{\partial x}dx+\frac{\partial u}{\partial y}dy)+\frac{\partial z}{\partial v}(\frac{\partial u}{\partial x}dx+\frac{\partial v}{\partial y}dy) =\frac{\partial z}{\partial u}du+\frac{\partial z}{\partial v}dv dz=(?u?z??x?u?+?v?z??x?v?)dx+(?u?z??y?u?+?v?z??y?v?)dy=?u?z?(?x?u?dx+?y?u?dy)+?v?z?(?x?u?dx+?y?v?dy)=?u?z?du+?v?z?dv
由此可見無論u和v是自變量還中間變量,函數 z = f ( u , v ) z=f(u,v) z=f(u,v)的全微分形式都是一樣的。這個性質叫做全微分形式不變性。
例8 z = f ( x 2 ? y 2 , e x y ) , 求 d z z=f(x^2-y^2,e^{xy}),求dz z=f(x2?y2,exy),求dz
解: 令 u = x 2 ? y 2 , v = e x y d z = d f ( u , v ) = f u d u + f v d v = f u d ( x 2 ? y 2 ) + f v ( e x y ) = f u ( 2 x d x ? 2 y d y ) + f v ( y e x y d x + x e x y d y ) = ( 2 x f u + y e x y f v ) d x + ( x e x y v v ? 2 y f u ) d y 解:\\ 令u=x^2-y^2,v=e^{xy} dz=df(u,v)=f_udu+f_vdv\\ =f_ud(x^2-y^2)+f_v(e^{xy})\\ =f_u(2xdx-2ydy)+f_v(ye^{xy}dx+xe^{xy}dy)\\ =(2xf_u+ye^{xy}f_v)dx+(xe^{xy}v_v-2yf_u)dy 解:令u=x2?y2,v=exydz=df(u,v)=fu?du+fv?dv=fu?d(x2?y2)+fv?(exy)=fu?(2xdx?2ydy)+fv?(yexydx+xexydy)=(2xfu?+yexyfv?)dx+(xexyvv??2yfu?)dy
結語
?QQ:806797785
??文檔筆記地址:https://gitee.com/gaogzhen/math
參考:
[1]同濟大學數學系.高等數學 第七版 下冊[M].北京:高等教育出版社,2014.7.p78-84.
[2]同濟七版《高等數學》全程教學視頻[CP/OL].2020-04-16.p67.