5.2 二元函数的偏导数与全微分
二元函数连续偏导数和全微分之间的关系
二元函数连续偏导数和全微分之间的关系【摘要】二元函数的连续偏导数和全微分之间的关系是数学分析领域一个重要的研究课题。
本文从二元函数的偏导数和全微分的定义入手，深入探讨了二元函数连续偏导数与全微分之间的关系。
通过证明思路和数学推导，揭示了二元函数各阶偏导数存在且连续时，全微分存在且连续的结论。
进一步分析了这一关系在实际问题中的意义，探讨了其在科学研究和工程技术中的应用。
展望了相关研究的未来方向，为这一领域的深入发展提供了借鉴。
通过本文的研究，读者将更加深入地了解二元函数连续偏导数和全微分之间的关系，对其在实际问题中的应用有更清晰的认识。
【关键词】二元函数、偏导数、全微分、连续、关系、证明、推导、实际意义、研究展望1. 引言1.1 研究背景二元函数连续偏导数和全微分之间的关系是微积分领域一个重要而复杂的问题。
在实际应用中，我们常常需要对二元函数进行微分运算，而二元函数的连续性和偏导数性质对于微分的计算有着至关重要的作用。
深入研究二元函数的连续偏导数和全微分之间的关系对于提高我们对函数性质的认识和应用具有重要意义。
1.2 问题提出偏少或者格式指导等。
在研究二元函数连续偏导数和全微分之间的关系时，一个重要的问题是如何理解连续偏导数和全微分之间的联系和区别。
连续偏导数描述了二元函数在某一点的变化率，而全微分则描述了函数在整个定义域上的变化率。
这两个概念之间的关系可以帮助我们更深入地理解二元函数的性质和行为。
本文将探讨二元函数连续偏导数和全微分之间的关系，从而拓展我们对这些数学概念的认识，以及它们在实际问题中的应用和意义。
2. 正文2.1 二元函数的偏导数二元函数的偏导数指的是在给定点处，分别对两个自变量求导得到的函数。
具体来说，对于一个函数f(x, y)，其对x 的偏导数记为\frac{\partial f}{\partial x}，对y 的偏导数记为\frac{\partialf}{\partial y}。
第三节偏导数与全微分
dz = z′ dx + z′ dy x y
= [2(sin xy )(cos xy ) y + y ]dx
2
+ [2(sin xy )(cos xy ) x + 2 yx ]dy .
2.偏导数 设有函数 z = f ( x , y ), 如果极限 偏导数
f ( x 0 , y 0 + ∆y ) − f ( x 0 , y0 ) lim = lim0 ∆y → ∆y → 0 ∆ y ∆y
∆ yz
存在, 存在 则称此极限为 f ( x , y )在点
( x0 , y0 ) 处对 y 的偏导数 的偏导数.
第三节 偏导数与全微分
一.二元函数的偏导数 二元函数的偏导数 1.改变量 改变量
全改 变量 偏改 变量 偏改 变量
x : x 0 → x 0 + ∆x
y : y 0 → y 0 + ∆y
∆ z = f ( x 0 + ∆x , y 0 + ∆y ) − f ( x 0 , y 0 )
∆ x z = f ( x 0 + ∆x , y 0 ) − f ( x 0 , y 0 )
+ x ln x
y
f x′ (1,2) = 2e 2 + 2 f y′ (1,2) = e 2 .
y ∂z ∂z 例3 设 z = arctan x , 求证 x + y = 0. ∂x ∂y
证
∂z = ∂x
y y (− 2 ) = − 2 2 y 2 x +y x 1+ ( ) x ∂z 1 x 1 = ( ) = 2 y 2 x ∂y x + y2 1+ ( ) x y x ∂z ∂z x ) + y( 2 ) = 0. +y = x(− 2 2 2 x +y x +y ∂x ∂y
二元函数微积分偏导数和全微分(课堂PPT)
的二阶偏导数 . 按求导顺序不同, 有下列四个二阶偏导
数:
x
( z ) x
2z x2
fxx(x,y);
(z) y x
2z x y
fxy(x,y)
x
(
z y
)
2z yx
fyx(x,
y);
y(yz)y2z2fyy(x,y)
.
16
类似可以定义更高阶的偏导数.
例如，z = f (x , y) 关于 x 的三阶偏导数为
二元函数微积分
一元函数微分学 推广
二元函数微分学 注意: 善于类比, 区别异同
.
1
二元函数的基本概念
一、区域 二、二元函数的概念
.
2
区域
平面点集： 平面上满足某个条件的一切点构 成的集合。
平面区域： 由平面上一条或几条曲线所围成 的部分平面点集称为平面区域，ຫໍສະໝຸດ y 通常记作D。边界·
01
闭开区域
x
.
例3. 求 r x2y2z2 的偏导数 .
解:
r
2x
x
x 2 x2 y2 z2 r
r y , r z y r z r
.
13
例4. 已知理想气体的状态方程 pVRT(R 为常数) ,
求证: pVT 1 V T p
证: p RT , V
p V
RT V2
说明: 此例表明,
V RT , V R p T p
.
8
定义： 设函数 zf(x,y)在点 (x0,y0) 的某邻域内
极限
lx i0m f(x0x,y0 x)f(x 0 ,y0)
存在, 则称此极限为函数 z f( x ,y )在 ( x 0 ,y 点 0 )对 x
多元函数的偏导数与全微分的关系及计算方法
多元函数的偏导数与全微分的关系及计算方法一、多元函数的偏导数与全微分的定义和关系在多元函数中，每个自变量都可以对应一个偏导数。
偏导数表示在其他自变量保持不变的情况下，函数对某个自变量的变化的敏感程度。
而全微分则是函数在一个点附近的近似变化。
1. 偏导数的定义多元函数$f(x_1, x_2, \cdots, x_n)$关于$x_i$的偏导数，表示在$x_i$方向上的变化率，记作$\frac{\partial f}{\partial x_i}$。
其中，$\frac{\partial}{\partial x_i}$表示对$x_i$求偏导数的运算符。
2. 全微分的定义多元函数$f(x_1, x_2, \cdots, x_n)$在点$(x_1, x_2, \cdots, x_n)$处的全微分，表示函数在此点的一个近似变化，记作$df$。
全微分可以通过各个偏导数的线性组合表示，即$df = \frac{\partial f}{\partial x_1}dx_1 + \frac{\partial f}{\partial x_2}dx_2 + \cdots + \frac{\partial f}{\partial x_n}dx_n$。
3. 偏导数与全微分的关系根据全微分的定义可以得到以下关系：$$df = \frac{\partial f}{\partial x_1}dx_1 + \frac{\partial f}{\partial x_2}dx_2 +\cdots + \frac{\partial f}{\partial x_n}dx_n$$这说明全微分$df$可以看作各个偏导数乘以相应自变量的微小变化量的累加。
二、多元函数的偏导数与全微分的计算方法计算多元函数的偏导数和全微分需要运用一些特定的计算方法，下面将介绍一些常用的方法。
1. 隐函数求导当多元函数以隐函数的形式给出时，可以通过隐函数求导的方法来计算偏导数。
5.2 二元函数的偏导数与全微分
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
（1）几何意义:
偏导数 f x ( x0 , y0 ) 就是曲面被平面 y y0 所 截得的曲线在点 M 0 处的切线 M 0Tx 对 x 轴的斜 率.
偏导数 f y ( x0 , y0 ) 就是曲面被平面 x x0 所截得的曲线在点 M 0 处的切线 M0Ty 对 y 轴的 斜率.
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
例1 求 z x 2 3x y y 2 在点(1 , 2)处的偏导数. z z 解法1 2x 3y, 3x 2 y x y z z y (1,2) x (1,2) 解法2
z
y2
x2 6x 4
z 记为 y f ， y x x0
y y0 x x0 y y0
， f y ( x0 , y0 ) 或 zy
x x0 y y0
.
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
如果函数 z f ( x , y ) 在区域 D 内任一点 ( x , y ) 处对 x的偏导数都存在，那么这个偏导数 就是 x、 y 的函数，它称为函数 z f ( x , y ) 对自 变量 x的偏导函数，简称偏导数. z f 记作 ， ， zx 或 f x ( x, y ) . x x
同理可以定义函数 z f ( x , y ) 对自变量 y 的偏导 z f 数，记作 ， ， zy 或 f y ( x, y). y y
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
偏导数的概念可以推广到二元以上函数
如函数 u f ( x , y, z ) 在点 ( x , y, z ) 处
偏导数与全微分
偏改 变量
y z f ( x0 , y0 y) f ( x0 , y0 )
2.偏导数 设有函数 z f (x, y), 如果极限
lim x z lim f ( x0 x, y0 ) f ( x0 , y0 )
x x0
x0
x
存在,则称此极限值为f (x, y)在点
z x (1, 2)
z x1 1 3y y2
z y (1, 2)
例2 已知 f ( x, y) e xy x y , 求 f x( x, y), f y( x, y), f x(1,2), f y(1,2).
解 f x( x, y) ye xy yx y1 f y( x, y) xe xy x y ln x
zy
xe x y ( x 1) 1 1 y
zy (1.0) e 2
dz 2edx (e 2)dy. (1,0)
定理8.2 如果函数 f (x, y) 在点P(x, y)及其邻域 内有连续的偏导数 f x( x, y)和 f y( x, y), 则该函数在点 P(x, y) 处可微.
(3)关系 函数 f (x, y)在 ( x0 , y0 )处的偏导数等于
偏导函数在( x0 , y0 ) 处的函数值.
(4)偏导函数求法 对 x 求偏导把 y 看作常数,
对 y 求偏导把 x 看作常数,
原
按一元函数求导法则求.
始
法 则
重要注意事项
二元函数偏导数的几何意义:
z
f x
x x0 yy0
z z f (x, y)
.P
.O
y0
x0
T2
y
叙述二元函数偏导,可微,连续的关系
叙述二元函数偏导,可微,连续的关系二元函数是指一个含有两个自变量的函数，例如f(x,y)，其中x和y是独立变量，而f(x,y)是它们的函数值。
在数学上，二元函数的偏导数、连续性和可微性是重要的性质，它们直接影响到函数的性质和应用。
一、二元函数的偏导数偏导数是指多元函数中对某一变量求导数时，将其他变量看做常数而求出的导数。
对于二元函数f(x,y)，其偏导数可以分为两种类型：偏导数和混合偏导数。
1. 偏导数：偏导数常用∂来表示，表示函数f(x,y)对x或y中的其中一个变量求导的结果。
例如，f(x,y)对x 求导得到的偏导数为：∂f(x,y)/∂x = lim(Δx→0) [f(x+Δx,y) - f(x,y)] / Δx同理，f(x,y)对y求导得到的偏导数为：∂f(x,y)/∂y = lim(Δy→0) [f(x,y+Δy) - f(x,y)] / Δy2. 混合偏导数：混合偏导数是指对一个二元函数f(x,y)的某个变量求偏导数之后，再对其余变量求偏导数，也就是先后求导数的结果。
例如，对f(x,y)先对x求偏导之后再对y求偏导的结果为：∂²f(x,y) / (∂x ∂y)同理，对f(x,y)先对y求偏导之后再对x求偏导的结果为：∂²f(x,y) / (∂y ∂x)如果∂²f(x,y) / (∂x ∂y) = ∂²f(x,y) / (∂y ∂x)，则称混合偏导数存在且相等。
二、二元函数的可微性可微性是指一个函数在某个点可导且导数存在，则称该函数在该点可微。
对于二元函数f(x,y)，其可微与单变量函数类似，需要同时满足以下两个条件：1. 偏导数存在：即f(x,y)对x、y的偏导数都存在；2. 偏导数连续：即f(x,y)对x、y的偏导数都是连续函数。
如果一个函数在某一点可微，则在该点的局部变化可以近似于一个线性变化，其近似表达式为：Δf(x,y) = ∂f(x,y)/∂x Δx + ∂f(x,y)/∂y Δy其中Δx 和Δy 分别表示自变量 x 和 y 的微小变化量，Δf(x,y) 表示函数在 (x,y) 点处的局部变化量。
偏导数与全微分
因为函数在（0，0）处的极限不存在，从而在点 （0，0）处不连续.
函数在点(0,0) 处不可微.
多元函数的各偏导数存在
全微分存在．
可微的充分条件
定理 5.4（充分条件） 如果函数 z f ( x , y )的
z z 偏导数 、 在点( x , y )连续，则该函数在点 x y ( x , y )可微分．
2z 2z 导数 及 在区域 D 内连续，那末在该区域 yx xy
内这两个二阶混合偏导数必相等．
例 6-19 方程
验证函数 z ln x 2 y 2 满足拉普拉斯
2z 2z 2 0. 2 x y
1 ln x y ln( x 2 y 2 ), 解 2 z x z y 2 , 2 , 2 2 x x y y x y
z ( x , y )可微分，则该函数在点( x , y )的偏导数 、 x z 必存在，且函数 z f ( x , y )在点( x , y )的全微分 y
为
z z dz x y ． x y
证 如果函数 z f ( x , y ) 在点P ( x , y ) 可微分,
同理可得
z B . y
一元函数在某点的导数存在
微分存在．
多元函数的各偏导数存在
全微分存在．
xy 2 x y2 例如， f ( x , y ) 0
x2 y2 0 . x y 0
2 2
Hale Waihona Puke 在点(0,0) 处有 f x (0,0) f y (0,0) 0
二元函数：z = f(u , v) u =φ (x , y) v = ψ (x , y)
5.2偏导数与全微分
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r z. z r
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
例4 已知理想气体的状态方程
(R 为常数) , 求证:
p V T 1 V T p
证
p RT , V
p V
RT V2
说明: 此例表明,
V RT , V R p T p
偏导数记号是一个 整体记号,不能看作
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
例 5 设z x3 y2 3xy3 xy 1，
求
2z x 2
、
2z yx
、
2z xy
、
2 y
z
2
及
3z x 3
.
解 z 3x2 y2 3 y3 y, z 2x3 y 9xy2 x;
dz z x z y． x y
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
证 由全增量公式
得到对x 的偏增量
x x
x
z lim xz A x x0 x
同样可证 z B, 因此有 y
令y 0, Ax o( x )
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在点 (x, y) 的全微分, 记作 dz df Ax By
若函数在域 D 内各点都可微,则称此函数在D 内可微.
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
“可微”与“连续”的关系？
定理 2 如果函数z f (x, y)在点(x, y)可微, 则函数在该点连续.
证 z Ax By o(), lim z 0, 0
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
例 7 验证函数u(x, y) ln x2 y2 满足方程
2u 2u x2 y2 0.
证 Q ln x2 y2 1 ln( x2 y2 ),
2
u x
u y
x
x2
y2
,
y x2 y2 ,
2u (x2 y2) x 2x y2 x2 x2 ( x2 y2 )2 ( x2 y2 )2 ,
时，相应地函数有增量
f ( x0 x, y0 ) f ( x0, y0 )，
如果 lim f ( x0 x, y0 ) f ( x0, y0 ) 存在，则称此
x0
x
极限为函数z f ( x, y)在点( x0, y0 )处对 x的偏导
数，记为
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
2u y2
(x2 y2) (x2
y y2 )2
2y
x2 (x2
y2 y2 )2
.
2u x 2
2u y2
0.
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
例8 证明函数
满足
方程
2u 2u 2u u x2 y2 z2 0.
变量 x的偏导函数，简称偏导数.
记作
z x
，
f x
，
zx
或
f
x
(
x,
y).
同理可以定义函数z f (x, y)对自变量 y 的偏导
数，记作
z y
，
f y
，
zy
或
f
y(
x,
y)
.
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
偏导数的概念可以推广到二元以上函数
如函数u f (x, y, z)在点 (x, y, z) 处
分子与分母的商 !
p V
V T
T p
RT pV
1.
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
2.偏导数的几何意义 设 M0( x0 , y0 , f ( x0 , y0 )) 为曲面 z f ( x, y) 上一点, 如图
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
dz
z dx x
z dy y
.
全微分的定义可推广到三元及三元以上函数
例如, 三元函数 u f (x, y, z) 的全微分为：
du u dx u dy u dz. x y z
lim f ( x x, y 来自) lim[ f (x, y) z]
x0
0
y0
f (x, y)
所以函数z f (x, y)在点(x, y)处连续.
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
“可微”与“偏导数存在”的关系？
定理 3（可微的必要条件） 如果函数z f (x, y) 在点(x, y)可微分，则该函数在点(x, y)的偏导数 z 、 z 必存在，且函数z f (x, y)在点(x, y)的全 x y 微分为
§5.2 二元函数的偏导数与全微分
三、全微分
全增量
如果函数z f (x, y)在点(x, y)的某邻域 内有定义，并设P(x x, y y)为这邻域内 的任意一点，则称这两点的函数值之差
f (x x, y y) f (x, y) 为函数在点 P 对应于自变量增量x,y的全 增量，记为 z ，
3z y x2
.
解
z ex2y
z 2ex2y
x
y
2z x2
e x2y
2z 2ex2y x y
2z 2ex2y y x
2z y2
4 e x2y
3z y x2
x
(
2z ) 2e x2y y x
注意:此处 2z 2z ,但这一结论并不总成立. x y y x
即 z f (x x, y y) f (x, y)
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
定义2 如果函数 z = f ( x, y )在点( x , y ) 的全增量 可表示成
z Ax B y o( ) ,
其中A , B不依赖于 x , y ,仅与 x , y 有关，则称函数 f ( x, y )在点( x, y) 可微，Ax By称为函数 f ( x, y)
（2）偏导数存在与连续的关系
一元函数中在某点可导 连续，
多元函数中在某点偏导数存在
连续，
例如,函数
f
(
x,
y)
x
2
xy
y
2
,
0,
x2 y2 0
,
x2 y2 0
依定义知在(0,0)处， f x (0,0) f y (0,0) 0.
但函数在该点处并不连续. 偏导数存在 连续.
§5.2 二元函数的偏导数与全微分
一、偏导数 二、高阶偏导数 三、全微分 四、全微分在近似计算中的应用
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
一、偏导数
1、偏导数的定义
定义 1 设函数z f ( x, y)在点( x0, y0 )的某一邻
域内有定义，当 y 固定在 y0而 x在 x0 处有增量x
ux
(
x,
y,
z)
lim
x0
u(
x
x,
y, z) x
u( x,
y,
z)
,
uy
(
x,
y,
z)
lim
y0
u(
x,
y
y, z) y
u(
x,
y,
z)
,
uz
(
x,
y,
z)
lim
z0
u(
x,
y,
z
z) z
u(
x,
y,
z)
.
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
问题 具备怎样的条件才能使混合偏导数相等？
定理 如果函数z f (x, y)的两个二阶混合偏导数 2z 及 2z 在区域 D 内连续，那么在该区域内 yx xy 这两个二阶混合偏导数必相等．
例如, 对三元函数u = f (x , y , z) , 当三阶混合偏导数 在点 (x , y , z) 连续时, 有
z ， f ， x x x0 x x x0
f
x
(
x0
,
y0
)
或
Z
x
(
x0
,
y0
)
y y0
y y0
同理可定义函数z f ( x, y)在点( x0, y0 )处对 y
的偏导数， 为
lim f ( x0, y0 y) f ( x0, y0 )
y0
y
记为 z y
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
二、高阶偏导数
设 z = f (x , y)在域 D 内存在连续的偏导数
z x fx (x, y) ,
z y fy(x, y)
若这两个偏导数仍存在偏导数，则称它们是z = f (x , y)
的二阶偏导数 .按求导顺序不同, 有下列四个二阶偏导
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§5.2 二元函数的偏导数与全微分
例2 设 z x y ( x 0, 且 x 1），求证: x z 1 z 2z y x ln x y