数学 数学分析

多元函数的微分

从可微、方向导数和雅可比矩阵出发,整理链式法则、有限增量定理、反函数定理和隐函数定理。

本页目录5 节

微分的定义 #

定义 可微

设 E⊆{R}nE \subseteq \set R n, f:E→{R}mf:E \to \set R m. 又设 a\bm a 是 EE 的一个内点. 若存在线性映射 L:{R}n→{R}mL:\set R n \to \set R m 使得

lim⁡h→0f(a+h)−f(a)−Lh∣h∣=0,\lim\limits_{\bm h \to 0} \dfrac{f(\bm a+\bm h)-f(\bm a)-L\bm h}{|\bm h|}=\bm 0,

则称 ff 在 a\bm a 处可微. 若 ff 在 EE 中每个点处均可微, 我们就称 ff 在 EE 上可微.

方向导数与偏导数 #

定义 方向导数

设 E⊆{R}nE \subseteq \set R n, f:E→{R}mf:E\to \set Rm, 且 a\bm a 是 EE 的一个内点. 对 {R}n\set Rn 中给定的非零向量 u\bm u, 若极限

lim⁡t→0f(a+tu)−f(a)t\lim\limits_{t\to0} \dfrac{f(\bm a+t\bm u)-f(\bm a)}{t}

存在, 我们就称 ff 在 a\bm a 处沿方向 u\bm u 是可微的, 并将上述极限称为 ff 在 a\bm a 处沿方向 u\bm u 的方向导数, 记作 ∂f∂u(a)\dfrac{\partial f}{\partial\bm u}(\bm a).

命题

设 E⊆{R}nE\subseteq \set Rn, f:E→{R}mf:E\to \set Rm, 且 a\bm a 是 EE 的一个内点. 若 ff 在 a\bm a 处可微, 则 ff 在 a\bm a 处的所有方向导数均存在, 并且对于 {R}n\set Rn 中的任意非零向量 u\bm u 有

∂f∂u(a)=f′(a)u.\dfrac{\partial f}{\partial \bm u}(\bm a)=f'(\bm a)\bm u.
定义 雅可比矩阵
f′(a)=[∂f1∂x1(a)∂f1∂x2(a)⋯∂f1∂xn(a)∂f2∂x1(a)∂f2∂x2(a)⋯∂f2∂xn(a)⋮⋮⋮∂fm∂x1(a)∂fm∂x2(a)⋯∂fm∂xn(a)]f'(\bm a)= \begin{bmatrix} \dfrac{\partial f_1}{\partial x_1}(\bm a) & \dfrac{\partial f_1}{\partial x_2}(\bm a) & \cdots & \dfrac{\partial f_1}{\partial x_n}(\bm a) \\[4mm] \dfrac{\partial f_2}{\partial x_1}(\bm a) & \dfrac{\partial f_2}{\partial x_2}(\bm a) & \cdots & \dfrac{\partial f_2}{\partial x_n}(\bm a) \\[4mm] \vdots & \vdots & & \vdots \\[4mm] \dfrac{\partial f_m}{\partial x_1}(\bm a) & \dfrac{\partial f_m}{\partial x_2}(\bm a) & \cdots & \dfrac{\partial f_m}{\partial x_n}(\bm a) \end{bmatrix}
定义 偏导数的链式法则

如果 f(x1,x2,…,xm)f(x_1,x_2,\ldots,x_m) 是一个 mm 元可微函数, 并且每个 xjx_j 均是 nn 元可微函数 xj(t1,t2,…,tn)x_j(t_1,t_2,\ldots,t_n), 那么我们也可以把 ff 看作变量 t1,t2,…,tnt_1,t_2,\ldots,t_n 的函数, 于是由链式法则及上述雅可比矩阵表示可知

因此对 1⩽j⩽n1\leqslant j\leqslant n 有

∂f∂tj=∑i=1m∂f∂xi⋅∂xi∂tj.\frac{\partial f}{\partial t_j} = \sum\limits_{i=1}^m\frac{\partial f}{\partial x_i}\cdot\frac{\partial x_i}{\partial t_j}.

这一公式也被称作偏导数的链式法则.

有限增量定理 #

定义 范数

设 L∈L({R}n,{R}m)L \in \mathcal{L}(\set R n,\set R m), 定义 LL 的范数 ∥L∥\|L\| 为

∥L∥=sup⁡∣h∣=1∣Lh∣.\|L\|=\sup\limits_{|\bm h |=1}|L\bm h|.

并且我们有 ∣Lx∣≤∥L∥⋅∣x∣,∀x∈{R}n|L\bm x|\le \|L\|\cdot |\bm x|, \qquad \forall \bm x \in \set R n.

定理 有限增量定理

设 EE 是 {R}n\set R n 中的凸开集, f:E→{R}mf:E\to \set R m 在 EE 上可微, 且存在 M>0M>0 使得对任意的 x∈E\bm x \in E 均有 ∥f′(x)∥≤M\|f'(\bm x)\| \le M. 那么对任意的 a,b∈E\bm a,\bm b \in E 有

∣f(b)−f(a)∣⩽M∣b−a∣.|f(\bm b)-f(\bm a)|\leqslant M|\bm b-\bm a|.

反函数定理 #

定理 反函数定理

设 EE 是 {R}n\set R n 中的开集, f:E→{R}nf:E \to \set R n 且 f∈C1(E)f \in C^1(E). 又设 a∈E\bm a \in E. 若 f′(a)f'(\bm a) 非奇异, 那么必存在 a\bm a 的邻域 UU 使得 V=f(U)V=f(U) 是 {R}n\set R n 中的开集, 且 f∣U:U→Vf|_U:U\to V 是双射. 此外, gg 表示 f∣Uf|_U 的逆映射, 则 g∈C1(V)g \in C^1(V), 并且对任意的 y∈V\bm y \in V 有

g′(y)=f′(g(y))−1.g'(\bm y)=f'(g(\bm y))^{-1}.

换种说法, 如果有

  • EE 是 {R}n\set R n 中的开集.
  • f:E→{R}nf:E\to \set R n 且 f∈C1(E)f \in C^1(E)
  • a∈E\bm a \in E, f′(a)f'(\bm a) 非奇异, 即 det⁡f′(a)≠0\det f'(\bm a) \neq 0

那么

  • 存在 a\bm a 的邻域 UU 使得 V=f(U)V=f(U) 是 {R}n\set R n 中的开集
  • f∣U:U→Vf|_U:U\to V 是双射.
  • 若设 g=f∣U−1g=f|_U^{-1} 则 g∈C1(V)g\in C^1(V), 并且对任意的 y∈V\bm y\in V 有
g′(y)=f′(g(y))−1.g'(\bm y)=f'(g(\bm y))^{-1}.

隐函数定理 #

定理 隐函数定理

设 EE 是 {R}n+m\set R {n+m} 中的开集, f=(f1,f2,…,fm)T:E→{R}mf=(f_1,f_2,\ldots,f_m)^T:E\to \set R m 连续可微. 又设 a∈{R}n\bm a \in \set R n 及 b∈{R}m\bm b \in \set R m, 使得 (a,b)∈E(\bm a,\bm b) \in E 且 f(a,b)=0f(\bm a, \bm b)=\bm 0. 现将 ff 的雅可比矩阵写成如下分块矩阵

[∂f∂x∂f∂y]\left[\dfrac{\partial f}{\partial \bm x}\quad \dfrac{\partial f}{\partial \bm y}\right]

的形式, 其中

∂f∂x=(∂fi∂xj)1≤i≤m,1≤j≤n,∂f∂y=(∂fi∂xn+j)1≤i,j≤m.\dfrac{\partial f}{\partial\bm x}=\left(\dfrac{\partial f_i}{\partial x_j}\right)_{1\le i \le m, 1\le j \le n},\qquad \dfrac{\partial f}{\partial \bm y}=\left(\dfrac{\partial f_i}{\partial x_{n+j}}\right)_{1 \le i,j \le m}.

那么当

det⁡∂f∂y(a,b)≠0\det \dfrac{\partial f}{\partial \bm y}(\bm a,\bm b)\neq0

时, 存在 a\bm a 的邻域 UU, b\bm b 的邻域 VV 以及唯一的连续可微映射 g:U→Vg:U\to V, 使得

  • (1) g(a)=bg(\bm a)=\bm b.
  • (2) 对任意的 x∈U\bm x \in U 有 f(x,g(x))=0f(\bm x,g(\bm x))=\bm 0.
  • (3) 对任意的 x∈U\bm x \in U 有 det⁡∂f∂y(x,g(x))≠0\det \dfrac{\partial f}{\partial \bm y}(\bm x,g(\bm x))\neq 0, 并且
g′(x)=−(∂f∂y(x,g(x)))−1∂f∂x(x,g(x)).g'(\bm x)=-\left(\dfrac{\partial f}{\partial \bm y}(\bm x,g(\bm x))\right)^{-1}\dfrac{\partial f}{\partial \bm x}(\bm x,g(\bm x)).
定义

在上述定理中, y=g(x)y=g(\bm x)

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