西南财经大学：《微积分》课程教学资源（PPT课件讲稿）第八章（8-4）全微分及其应用

§8.4全微分及其应用 本节研究二元函数在两个自变量都有微小变化时, 函数改变量的变化情况 一全微分的概念 如图所示的矩形长和宽为x和y 则其面积为S=xy,是x和v的 函数若边长x和y分别取得微小 改变量△x和△y,则面积S也相应有一个改变量 △S-(x+△x)(y+△y)-xy=y△x+xAy+△x△y 而△x△y(当Ax0,△y>0时)是比p=√△x)2+(Ay)2 较高阶的无穷小量,故可将它略去,而用Ax、△y的线性

1 函数改变量的变化情况. x∆y x y y∆x ∆x∆y 则其面积为S=xy，是x和y的二 ∆S=(x+∆x)(y+∆y)−xy=y∙∆x+x∙∆y+∆x∙∆y 一.全微分的概念 §8.4 全微分及其应用 本节研究二元函数在两个自变量都有微小变化时， 如图所示的矩形长和宽为x和y, 函数.若边长x和y分别取得微小 改变量∆x和∆y，则面积S也相应有一个改变量 而∆x∙∆y 2 2  =  +  ( ) ( ) x y 较高阶的无穷小量,故可将它略去, (当∆x→0, ∆y→0时)是比 而用∆x 、 ∆y的线性

部分y△x+x△y近似表示△S,类似于一元函数的微分, 也称它为S的全微分 定义8若函数=(xy)在点(xy)处的全增量 △z=f(x+△xy+△y)-f(x2y) 可表示为△z=A△x+BAy+o(p) 其中A、B与△x、△无关,O(O)是比p=V(△x)2+(4y) 较高阶的无穷小量,则称Δ的线性主部Ax+By是 函数z=f(xy)在点(x3y)处的全微分,记作d,即 dz=A△x+B 此时又称函数z=f(x3y)在(xy)处可微

2 定义8 若函数z=ƒ(x,y)在点(x,y)处的全增量 ∆z=ƒ(x+∆x,y+∆y)−ƒ(x,y) 可表示为 ∆z=A∆x+B∆y+o(ρ) 其中A 、 B与∆x 、 ∆y无关,o(ρ)是比 2 2  =  +  ( ) ( ) x y 较高阶的无穷小量，则称∆z的线性主部A∆x+B∆y是 函数z=ƒ(x,y)在点(x,y)处的全微分，记作dz,即 dz=A∆x+B∆y 此时又称函数z=ƒ(x,y)在(x,y)处可微. 部分y∙∆x+x∙∆y近似表示∆S，类似于一元函数的微分， 也称它为S的全微分

江=f(x)在区域D上每一点都可微则此时又称f在区域 D上可微 定理2若函数=f(xy)在点(x)处可微,则函数=f(xy)在 (xy)处必连续 证因z=f(xy)在点(xy)处可微,则当 x)2+(△y)2→>0 时也有△=Ax+BAy+o()→0.从而可得 lim Az=limlf(x+Ax,y+Ay)-f(x,y]=0 →limf(x+Ax,y+△y)=f(x,y) 则函数z=f(xy)在(xy)处连续

3 定理2 若函数z=ƒ(x,y)在点(x,y)处可微，则函数z=ƒ(x,y)在 ∆z=A∆x+B∆y+o(ρ) →0. 2 2  =  +  → ( ) ( ) 0 x y 0 0 lim x y z  →  →  = 0 0 lim[ ( , ) ( , )] 0 x y f x x y y f x y  →  → +  +  − = 0 0 lim ( , ) ( , ). x y f x x y y f x y  →  →  +  +  = 则函数z=ƒ(x,y)在(x,y)处连续. 若z=ƒ(x,y)在区域D上每一点都可微,则此时又称ƒ在区域 D上可微. (x,y)处必连续. 证 因z=ƒ(x,y)在点(x,y)处可微，则当 时,也有 从而可得

定理3若函数z=f(xy)在点(x3y)处可微,则函数=f(xy) 在(x,y)处的偏导数必存在,且其全微分为 dz=f(x, y)Ax+f(x,y)Ay 证因=f(xy)在点(xy)处可微, 则对点(x3y)的某个邻域内的任意一点(x+△xy+△y)均有 △z=A△x+BAy+O(p) 特别地,当Δy=0时即为 f(x+△xy+△y)-f(xy)=A△x+o(|△x|) →/nf(x+Ny)-f(xy)=A分(xy)=A △x 同理,令Ax=0,可得f"(x,y)=B →在=f(x,y)Ax+fy(x,y)Ay

4 定理3 若函数z=ƒ(x,y)在点(x,y)处可微，则函数z=ƒ(x,y) ( , ) ( , ) x y dz f x y x f x y y =  +    则对点(x,y)的某个邻域内的任意一点(x+ ∆x,y+∆y),均有 特别地，当∆y=0时即为 0 ( , ) ( , ) lim x f x x y f x y A  → x +  −  =  ( , ) x  = f x y A  , 0, ( , ) . y 同理 令 可得  = = x f x y B  ( , ) ( , ) . x y  =  +  dz f x y x f x y y   在(x,y)处的偏导数必存在，且其全微分为 证 因z=ƒ(x,y)在点(x,y)处可微， ∆z=A∆x+B∆y+o(ρ) ƒ(x+∆x,y+∆y)−ƒ(x,y)=A∆x+o(∣∆x∣)

注3对于二元函数z=f(xy),若它的偏导数都存在,但 f(x,y)Ax+∫”(x,y)Ay也不一定是f(xy)的全微分 因此时并不能保证△-[f(x,y)Ax+fy(x,y)Ay]是P的高 阶无穷小 重要结论:函数二=f(xy)的各偏导数存在仅是全微分 存在的必要条件,而非充分条件如例14已证明 2xy 0 0 0 的偏导数/(0.0)=0,f,(0.0)=0(都存在) 但可验证f(x,y)在点(0,0)处不可微

5 ( , ) ( , ) 也不一定是ƒ(x,y)的全微分. x y f x y x f x y y    +  [ ( , ) ( , ) ] x y  −  +  z f x y x f x y y   是ρ的高 重要结论：函数z=ƒ(x,y)的各偏导数存在,仅是全微分 2 2 2 2 2 2 2 0 ( ) 0 0 xy x y f x, y x y x y   +  =  +   + = 但可验证 在点 处不可微 f x y ( , ) (0,0) . (0,0) 0 (0,0) 0( ); x y 的偏导数 ， 都存在 f f   = = 注3 对于二元函数z=ƒ(x,y),若它的偏导数都存在,但 因此时并不能保证 阶无穷小. 存在的必要条件,而非充分条件.如例14已证明

实际上lim △-[f(0,0)△x+f”(0,0)y] p→>0 f(△x,Ay)-f(0,0)-f(0,0)△x-f(0,0)4 0 △x2+△ x lim -lim △x2+△ 2k△x 2k△x Im li ≠0. 0y(1+k2)3△x Ax→>0 (1+k2)△x →A-[f(x,y)Ax+fy(x,y)Ay不是的p高阶无穷小

6 0 [ (0,0) (0,0) ] lim x y z f x f y →   −  +    实际上 0 ( , ) (0,0) (0,0) (0,0) lim x y f x y f f x f y →    − −  −    = 2 2 0 2 lim x y x y →     +  = 2 2 0 0 2 3 6 2 3 3 2 2 lim lim (1 ) (1 ) x x y kx y kx k x k x k x k x + +  →  → = =   = = +  +  0 2 2 3 0 2 lim ( ) x y x y x y  →  →   =  +   0. [ ( , ) ( , ) ] x y   −  +  z f x y x f x y y   不是的ρ高阶无穷小

以下定理为全微分存在的充分条件 定理4若函数z=f(xy)的偏导数一与在点(xy)的 某个邻域内存在且在点(xy)处连,则函数z=f(xy) 在(xy)处可微,且 d=f(xy)dx+fr(x,y)d减或d=ax+d 证因△z=f(x+△xy+△y)-f(xy) f(x+△x2+△y)f(x,+△y)+[f(x2+△y)-f(x2y) 注意两个括号中,前者yy未变;后者x未变;因而皆可视 为一元函数之差而两个偏导数在(x,y)的某个邻域内存 在,故可由 Lagrange中值定理,得

7 则函数z=ƒ(x,y) z z x y     与 以下定理为全微分存在的充分条件： 定理4 若函数z=ƒ(x,y)的偏导数 在点(x,y)的 某个邻域内存在且在点(x,y)处连， 在(x,y)处可微，且 ( , ) ( , ) x y dz f x y dx f x y dy = +   . z z dz dx dy x y   = +   或 证 因 ∆z=ƒ(x+∆x,y+∆y)−ƒ(x,y) =[ƒ(x+∆x,y+∆y)−ƒ(x,y+∆y)]+[ƒ(x,y+∆y)−ƒ(x,y)] 注意两个括号中,前者y+∆y未变;后者x未变;因而皆可视 为一元函数之差.而两个偏导数在 (x,y)的某个邻域内存 在,故可由Lagrange中值定理，得

Az=f(x+0,Ar, y+Ay)Ax+f(x,y+0,y)y 其中00 f(x+△x,y+4y)=f(x,y)+a,其中lima=0; f(x,y+O24y)=f(x,y)+B,其中limB=0 Az=f(x, y)Ax+f(x, y)Ay+ax+ BAy 而0≤ a△x+△y 1slal-Axrl 151-lAy s(al+Bl

8 1 2 ( , ) ( , ) x y  = +  +   + +   z f x x y y x f x y y y     1 2 其中0 1,0 1.       而两个偏导数在 (x,y)的某个邻域内连续，则 1 0 ( , ) ( , ) , lim 0 x x f x x y y f x y     →   +  +  = + = 其中 ； 2 0 ( , ) ( , ) lim 0. y y f x y y f x y     →   +  = + = ，其中 ( , ) ( , ) . x y   =  +  +  +  z f x y x f x y y x y     1 0 lim ( , ) ( , ), x x f x x y y f x y   →   +  +  = 2 0 lim ( , ) ( , ). y y f x y y f x y   →   +  = 0     x y x y       +      而 ，   +  +

→lim aAx+BAy BAy=o(p) 故函数z=f(xy)在(xy)处可微,且 dz=f(x,y)Ax+f(x,y)△ 而Ax=ax,^y=,则函数z=f(xy)的全微分为 dz=f(x, y)dx+f(, y)as az y==dx 注4在上式中称f(x,y)为对x的偏微分,并记为d2; 称∫(x,y)h为对y的偏微分,并记为dz从而二元函数 的全微分等于它的两个偏微分之和,即d=d=+d

9   +  =    x y o( ). 故函数z=ƒ(x,y)在(x,y)处可微，且 ( , ) ( , ) x y dz f x y x f x y y =  +    ， 而∆x=dx, ∆y=dy,则函数z=ƒ(x,y)的全微分为 0 lim 0 x y    →   +   = ( , ) ( , ) x y dz f x y dx f x y dy = +   . z z dx dy x y   = +   的全微分等于它的两个偏微分之和，即 ( , ) x f x y dx  ; x d z ( , ) y f x y dy  . y d z . x y dz d z d z = + 注4 在上式中称 为z对x的偏微分,并记为 称 为z对y的偏微分,并记为 从而二元函数

注5此定理并未说明“函数=f(xy)的偏导数在点(xy) 处不连续,就一定有函数z=f(xy)在(x,y处不可微” 同学们课后可自行验证 函数/x1」(x2+y)sin1 0 +y2=0 在(,0)处可微,但偏导数却不连续 解∫(0,0)=lim f(x,0)-f(0,0) x→>0 0 同理f(O,0)=0

10 注5 此定理并未说明“函数z=ƒ(x,y)的偏导数在点(x,y) 在 处可微， (0,0) 但偏导数却不连续. 处不连续,就一定有函数z=ƒ(x,y)在(x,y)处不可微”. 同学们课后可自行验证 2 2 2 2 2 2 2 2 1 ( )sin , 0 ( ) 0, 0 x y x y f x, y x y x y  + +   =  +   + = 函数 (0,0) x 解 f  0 ( ,0) (0,0) lim 0 x 0 f x f → x − = = − ； (0,0) 0. y 同理 f  =