Part 5 多元函式基礎

2022-04-19 19:26:12 字數 3450 閱讀 5908

設\(d\subset \mathbb^n, d\not=\varnothing\),如果存在乙個對應法則\(f\),對每乙個\(p(x_1, x_2\cdots x_n)\in d\), 都有唯一的乙個實數\(y\)與之對應,則稱\(f:\forall p\in d\mapsto y\)是\(d\)上的\(n\)元函式,記作\(y=f(p),p\in d\)或\(y=f(x_1, x_2, \cdots x_n), p(x_1, x_2, \cdots x_n)\in d\)

使表示式有意義,如果還涉及實際問題,不能違背常理

設\(p_0(x_0,y_0)\in\mathbb^2, \^2\}\xlongequal}p_0\)的\(\delta\)鄰域。類似地可以定義去心鄰域。

內點(\(int e\))、外點、邊界點。全體邊界點組成的集合稱為邊界,記作\(\partial e\)

孤立點必然是邊界點

若\(int e=e\),則\(e\)為開集。

若\(\mathbb^2-e\)為開集《這個不太好,因為\(\mathbb^2\)既開又閉》,稱\(e\)為閉集。或定義為\(\partial e\subset e\)

連通集、開區域(可簡稱為區域)、閉區域(\(int e+\partial e+isolated\ points\))

點集的直徑:\(sup\\)(直徑有上界稱為有界集)

類似一元函式,可以寫出定義。趨近過程要求兩個自變數其一不等於趨近點。

幾個重要性質:

\(\lim\limits_}f(x,y)=a\leftrightarrow f(x,y)=a+\alpha(x, y)\),其中\(\lim\limits_}\alpha(x ,y)=0\)

有夾逼,無單調有界

有四則運算

判斷二元函式極限不存在的方法:

不同路徑趨近所得極限不同。

取乙個路徑極限不存在(少用。因為直接求極限不存在很困難)

累次極限均存在,且不等

累次極限\(\lim\limits_\lim\limits_f(x,y)\ (x\not=x_0, y\not= y_0)\)本質上是求兩次求一元函式極限,與二重極限不同。

例:\(\lim\limits_}\frac=\lim\limits_\frac=\frac\)無極限

但\(\lim\limits_\lim\limits_\frac=0\)

定理:若\(\lim\limits_}f(x,y),\lim\limits_\lim\limits_f(x,y),\lim\limits_\lim\limits_f(x,y)\)都存在,那麼三者相等。

累次極限本質上是一種極限的復合。所以要讓外層存在極限,裡層必須有極限。

從點集關係理解,由於二重極限可以一次動兩個點,自由度更高,在這個極限點位於邊界的情況下,存在極限的可能性更大。而累次極限至少先定乙個,所以想象一下\(f(x,y)=x\sin\frac+y\sin\frac\)的定義域是乙個缺十字的平面,先定其一,比如\(x\),總是乙個定值,那麼它所確定的\(xoz\)平面在這個狹縫周圍,與曲面會切出一條不光滑的交線(主要由\(x\sin\frac\)決定其中\(x\)為定值,由於第二次極限結果不為0),所以累次極限不存在。

在知乎上寫著寫著發現問題了。這跟極限的復合是一樣的。先第一次\(x\to0\),是乙個平面向\(x=0\)逼近過程當中截線如同龍飛舞一般,對應每乙個\(y\)的值都不穩定。從而發現第二次極限根本就不可能做,因為第一次做完,已經算不上是函式了。

多元點的趨近

最值定理,介值定理(零點存在性定理)

定義 全增量\(\delta z=f(x_0+\delta x, y_0+\delta y)-f(x_0, y_0)\)

連續的第二種定義\(\lim\limits_}\delta x=0\)

初等多元函式在定義域區域上的每一點處都連續。

分段函式\(\longrightarrow\)分塊函式

\[u=x^

\]求\(\frac=x^y\ln x\cdot zy^\)(復合函式求導法則)

三種定義\(\lim\limits_\frac=\lim\limits_\frac=\lim\limits_\frac\)

四種兩類記法

\(\frac\big|_=z'_x\big|_=f'_x(x_0, y_0)=\frac\big|_\)

\(\frac\)和\(\frac\)才是整體的運算元。

對於乙個二元隱函式\(f(x,y)=0\)而言\(\frac\cdot\frac=1\)

對於三元隱函式\(g(x, y, z)\)來說,\(\frac\cdot\frac\cdot\frac=-1\)

\(u=\frac}\)

\(\frac=-(x^2+y^2+z^2)^}+3x^2(x^2+y^2+z^2)\)

輪換對稱得\(\partial^2_yu,\partial^2_zu\)然後得\(\delta=\partial^2_x+\partial^2_y+\partial^2_z=0\)稱作laplace運算元

如果二元函式在某區域上連續則\(\frac, \frac\)在此區域上相等。

混合二階偏導分母上的\(\partial x, \partial y\)順序暫不強調,通常都相等。

\(a(x,y)\delta x+b(x,y)\delta y\)稱為全微分。

如果\(f(x, y)\)可微,則\(\partial_x, \partial_y\)存在且\(\mathrm dz=\frac\mathrm dx+\frac\mathrm dy\)(證明時可以從退化的情況開始)

點可微必點連續。點可微必點偏導存在(\(\rho\to0\rightarrow\delta z\to0\))但點偏導存在推不出點可微

偏導函式點連續推點可微:理解是由於存在方向性,微分需要乙個穩定擬合的切平面。為了使當\(\rho\)極小的時候這個平面穩定。必須保證至少存在乙個小區域裡這兩個偏導函式足夠光滑(然後在極限的語境之下就可以穩定了),如果其一無論如何不連續,比如**,那稍微換一條路徑逼近的時候無論多麼接近總會發生平面的不穩定。

\(\nabla z=\, \frac\}\)

(由於偏微分運算元\(\frac\)不是乙個分式,所以此處的證明不用像一元函式鏈式法則那樣繁瑣)

\(u=f(x,y,z), z= g(x, y)\)

\(\frac=f_x'+\frac\frac\),式中\(\partial_x\)和\(\frac\)的意義是不一樣的。

通過全微分可以反推偏導,不用死記公式列式找待求的偏導。只需要按照隱函式求導法得出方程即可。

是\(fermat\)引理的自然延伸。

\[l(x, y, z)=f(x, y, z)+\lambda\cdot\varphi(x, y, z).

\]\[\begin

l_x(x_0, y_0,z_0)=0\\

l_y(x_0, y_0,z_0)=0\\

l_z(x_0, y_0,z_0)=0

\end

\]

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