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数学分析讲义第五版

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但是,二元函数f(x,y)在点P0(x0,y0)存在关于x和y的两个偏导数,f(x,y) 在点P0(x0,y0)去不一定连续,这是因为f(x,y)在点P0(x0,y0)存在于关于x的偏导数fx'(x0,y0),只能得到一元函数z?f(x,y0)(即图10.6中曲线C1)在x0连续.同样,由fy'(x0,y0)存在,只能得到一元函数z?f(x0,y)(即图10.6中曲线C2)在y0连续.由此可见,两个偏导数fx'(x0,y0)与fy'(x0,y0)只是过点P0(x0,y0)平行x轴与平行y轴的两个特殊路线的变化率.而二元函数 f(x,y) 在点 P0(x0,y0) 连续是与他在点P0(x0,y0)的邻域有关的概念,即不仅与过点P0的平行x轴与平行y轴的线段上点的函数值变化有关,而且也与点P0的邻域内其他点上的函数值的变化有关,例如,函数

?x2?y2f(x,y)???1,f(0,0)?lim'x?x?0

xy?0,xy?0.

2(?x)f(0??x,o)?f(0,0)?lim?x?x ?x?0?lim?x?0.

?x?0同样fy'(0,0)?0.于是,函数f(x,y)在点(0,0)存在两个偏导数.但是,沿着直线y=0有

limf(x,0)?limx2?0,

x?0x?0沿着直线y?x(x?0),有

limf(x,x)?lim1?1,

x?0x?0即函数f(x,y)在点(0,0)不存在极限.当然,函数f(x,y)在点(0,0)不连续.

二、全微分

我们已知,一元函数y?f(x)在x0可微,有

dy?f'(x0)?x, 且?y?dy?o(?x),

即微分dy是?x的线性函数,并且dy与?y之差比?x是高阶无穷小.一元函数微分dy推广到多元函数就是全微分.

定义 若二院函数z?f(x,y)在P0(x0,y0)的全改变量

?z?f(x0??x,y0??y)?f(x0,y0)

可表为

?z?A?x?B?y?o(?),

其中??

(1)

(?x)?(?y)22,A与B是与?x和?y无关的常数,则

称二元函数f(x,y)在P0(x0,y0)可微,(1)式的线性主要部分A?x?B?y称为二元函数f(x,y)在P0(x0,y0)的全微分,记为dz,即

dz?A?x?B?y.

由全微分的定义不难看到全微分的两个性质:dz是?x与?y的线性函数;dz与?z之差比?是高阶无穷小.

显然,若函数f(x,y)在P0(x0,y0)可微,则函数f(x,y)在p0(x0,y0)连续. 如果二元函数f(x,y)在p0(x0,y0)可微,全微分(2)中的常数A,B与二元函数f(x,y)有什么关系呢?有下面可微的必要条件:

定理1 (可微的必要条件) 若二元函数z?f(x,y)在p0(x0,y0)可微,则二元函数z?f(x,y)在p0(x0,y0)存在两个偏导数,且全微分(2)中的A与B分别是

A?fx'(x0,y0)

证明

已知二元函数z?f(x,y)在p0(x0,y0)可微,即

dz?A?x?B?y?o(?), ??当?y?0是,有

(?x)2?(?y)

2f(x0??x)?f(x0,y0)?A?x?o(?x).

用?x除上式等号两端,在取极限(?x?0),有

fx'(x0,y0)?lim?x?0f(x0??x,y0)?f(x0,y0)

?x =A?lim同法可证

o(?x)?A.

?x?0?xdz?fx'(x0,y0)dx?fy'(x0,y0)dy

与一元函数相同,规定自变量的改变量等于自变量的微分,即?x?dz,?y?dy.于是,二元函数f(x,y)在点P(x0,y0)的全微分

??f?dz?????x?注

p??f?dx????y????dy.

p这里的dx,dy是自变量x,y无关的独立变量,可取任意值.

类似地,n元值函数u?f(x1,x2,?,xn)在点Q(x1,x2,?,xn)的全微分

du??f?f?fdx1?dx2???dxn. ?x1?x2?xn我们已知,一元函数的可微与可导是等价的.由定理1,二元函数可微一定存在两个偏导

数;反之,二元函数存在两个偏导数去不一定可微.例如,函数

f(x,y)?|xy|

在原点(0,0)存在两个偏导数,有偏导数定义,有

fx'(0,0)?lim

?x?0f(?x,0)?f(0,0)0?lim?0 ?x?0?x?xf(0,?y)?f(0,0)0?lim?0. ?y?0?y?y fy(0,0)?lim'?y?0两个偏导数都存在,但是,他在原点(0,0)不可微.

事实上,假设他在原点(0,0)可微,有

df?fx'(0,0)?x?fy'(0,0)?y?0

?f?f(0??x,0??y)?f(0,0)?|?x??y.

??(?x)2?(?y)

2特地,取,?x??y,有

?f?|?x??y.?|?x|2?|?x|,

2??于是,

(?x)?f?df2?(?y)?|?x|2|?x|22(?x)?12?2|?x|.

lim

??0??lim?x?0?0.

即?f?df比?不是高阶无穷小(??0),与可微定义矛盾,于是,函数

f(x,y)?|xy|在原点(0,0)不可微.

二元函数z?f(x,y)在p0(x0,y0)的全微分

dz?fx'(x0,y0)?x?fy'(x0,y0)?y

'涉及函数f(x,y)在点p0(x0,y0)邻域内所有的函数值,而偏导数fx(x0,y0)与fy'(x0,y0)仅涉及二元函数f(x,y)在过点p0(x0,y0)的直线x?x0与y?y0上的函数值.因此,仅仅

'两个偏导数fx(x0,y0)与fy'(x0,y0)存在并不能保证函数f(x,y)在点p0(x0,y0)可微,那

么在什么条件下可保证结案数在点p0(x0,y0)可微呢?有下面可微的充分条件.首先证明一个引理.

引理

若二元函数f(x,y)在点p0(x0,y0)的邻域G存在两个偏导数,则

?(x0??x,y0??y)?G,全改变量

?z?f(x0??x,y0??y)?f(x0,y0)

?fx'(x0??1?x,y0??y)?x?fy'(x0,y0??2?y)?y,

其中0??1?1,0??2?1.

证明

显然,若点(x0??x,y0??y)?G,则点(x0,y0??y)与(x0??x,y0)?G,

并且连接两点(x0??x,y0??y)?G与(x0,y0??y)或(x0??x,y0??y)与

(x0??x,y0)的线段也属于G,如图10.7.为此,将全变量?z改写如下形式:

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但是,二元函数f(x,y)在点P0(x0,y0)存在关于x和y的两个偏导数,f(x,y) 在点P0(x0,y0)去不一定连续,这是因为f(x,y)在点P0(x0,y0)存在于关于x的偏导数fx'(x0,y0),只能得到一元函数z?f(x,y0)(即图10.6中曲线C1)在x0连续.同样,由fy'(x0,y0)存在,只能得到一元函数z?f(x0,y)(即图10.6中曲线C2)在y0连续.由此可见,两个偏导数fx'(x0,y0)与fy'(x0,y0)只是过点P0(x0,y0)平行x轴与平行y轴的两个特殊路线的变化率.而二元函数 f(x,y) 在点 P0(x0,y0) 连续是与他在点P0(x0,y0)的邻域有关的概念,即不仅与过点P0的平行x轴与平行y轴的线段上点的函数值变化有关,而且也与点P0的邻域内其他点上的函数值的变化有关,例如,函数 ?x2?y2f(x,y)??

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