数学分析多元函数微分学.doc

第四章 多元函数微分学一、本章知识脉络框图极 限连 续重极限与累次极限根本概念有 界 性极限存在的判别方法极值和最值根本性质极限与连续介 值 性偏 导 数可 微 性概念可微和连续可微的必要条件可微的充分条件复合函数微分隐函数微分计 算参数方程微分多元函数微分学全微分〔三元为例〕df=f*d*+fydy+fzdz条件极值应 用高阶导数与微分多元极值切线、法线、法平面、切平面泰勒公式二、本章重点及难点 本章需要重点掌握以下几个方面容：l 偏导数、全微分及其几何意义，可微与偏导存在、连续之间的关系，复合函数的偏导数与全微分，一阶微分形式不变性，方向导数与梯度，高阶偏导数，混合偏导数与顺序无关性，二元函数中值定理与Taylor公式.l 隐函数存在定理、隐函数组存在定理、隐函数〔组〕求导方法、反函数组与坐标变换.l 几何应用〔平面曲线的切线与法线、空间曲线的切线与法平面、曲面的切平面与法线.l 极值问题〔必要条件与充分条件〕，条件极值与Lagrange乘数法.三、 本章的根本知识要点(一)平面点集与多元函数1.任意一点与任意点集的关系.1) 点. 假设存在点的*邻域，使得，则称点是点集的点。

2) 外点. 假设存在点的*邻域，使得，则称点是点集的外点3) 界点〔边界点〕. 假设在点的任何邻域既含有属于得的点，又含有不属于的点，则称点是点集的界点4) 聚点. 假设在点的任何空心邻域部都含有中的点，则称点是点集的聚点5) 孤立点. 假设点，但不是的聚点，则称点是点集的孤立点2. 几种特殊的平面点集. 1) 开集. 假设平面点集所属的每一点都是的点，则称为开集2〕闭集. 假设平面点集的所有聚点都属于，则称为闭集 3) 开域. 假设非空开集具有连通性，即中任意两点之间都可用一条完全含于得有限折线相连接，则称为开域4〕闭域. 开域连同其边界所成的点集称为闭域5〕区域. 开域、闭域或者开域连同*一局部界点所成的点集，统称为区域3.上的完备性定理.1) 点列收敛定义：设为平面点列，为一固定点假设对任给的正数，存在正整数，使得当时，有，则称点列收敛于点，记作 或 .2〕点列收敛定理〔柯西准则〕平面点列收敛的充要条件是：任给正数，存在正整数，使得当时，对一切自然数，都有. 3〕闭区域定理. 设是中的闭域列，它满足：(i) (ii).则存在唯一的点.4) 聚点定理. 设为有界无限点集，则在中至少有一个聚点。

5) 有限覆盖定理. 设为一有界闭域，为一开域族，它覆盖了〔即〕，则在中必存在有限个开域，它们同样覆盖了〔即〕4. 二元函数定义：设平面点集，假设按照*对应法则，中每一点都有唯一确定的实数与之对应，则称为定义在上的二元函数〔或称为到的一个映射〕，记作,，且称为的定义域，所对应的为在点的函数值，记作或〔注：其它多元函数与二元函数相似〕〔二〕二元函数的极限1. 定义 设为定义在上的二元函数，为的一个聚点，是一个确定的实数，假设对，都存在一个，使得时，都有.则称在上当时，以为极限，记作有时简记为当、分别用表示时，上式也可写作.2. 重要定理及推论.1〕的充要条件：对于的任一子集，只要是的聚点就有2〕设，是的聚点，假设不存在，则也不存在3〕设、，是它们的聚点假设，，但，则不存在4〕极限存在的充要条件是：对于中任一满足条件的点列，它所对应的函数列都收敛3. 二元函数函数极限的四则运算.假设，则 1)；2) ; 3) .4. 累次极限.1) 定义：对于函数，假设固定存在，且也存在，则称为在处先对后对的累次极限，记为，类似可定义2) 重要定理及推论.①　 假设与〔或〕都存在，则它们 相等；②　 假设，和都存在，则三者相等；③　 假设与都存在但不相等，则不 存在。

〔三〕二元函数的连续性1. 定义 设为定义在点集上的二元函数，，假设对，都存在一个，只要，就有则称关于集合在点连续假设在上任何点都连续，则称为上的连续函数假设，则称在处关于连续同理可定义关于连续2. 复合函数的连续性定理 设二元函数和在点连续，函数在点处连续，其中，则复合函数在点连续3. 有界闭域上连续函数的性质.1〕假设函数在有界闭域上连续，则在上有界，且能取得最大值与最小值；2〕假设函数在有界闭域上连续，则在上一致连续；3〕假设函数在有界闭域上连续,对任意的、，且，则对任何满足不等式的实数，必存在点，使得4. 元函数唯一存在与连续可微性定理假设1〕函数在以为点的维空间区域连续；2〕偏导数在存在且连续；3〕；4〕；则在的*一邻域，方程唯一地确定了一个定义在的邻域上的n元连续函数使得:①②在连续偏导数：而且5. 由方程组确定的隐函数〔隐函数组定理〕假设：1〕与在以点为点的区域连续；2〕〔为初始条件〕；3〕在具有一阶连续偏导数；4〕在点处不等于零则在点的*一〔四维空间〕邻域，方程组唯一地确定了定义在点的*一〔二维空间〕邻域的两个二元隐函数 使得：①且当时，②在连续；③在有一阶连续偏导数，且6. 〔反函数组定理〕假设函数组满足如下条件：1〕均是有连续的偏导数； 2〕则此函数组可确定唯一的具有连续偏导数的反函数组且(四) 多元微分学的应用1. 泰勒定理1) 假设在点的邻域存在阶连续的偏导数，则，有其中2) 当时，相应二元函数的麦克劳林公式为2．极值 1〕定义 设函数在点的*邻域有定义，如果 满足，则称为的极大值〔极小值〕，此时点称为的极大值点〔极小值点〕。

极大值，极小值统称极值2〕函数在点的偏导数存在，则在点取得极值的必要条件为：，满足上述条件的点称为稳定点或驻点3〕极值的充分条件: 设函数在点的*邻域具有二阶连续的偏导数，且是的稳定点记则① 当时，函数在取得极值，假设，则取得极大值，假设，则取得极小值；② 当时，函数在点不取极值；③ 当时，不能判断在点是否极值；3．条件极值1〕求条件极值的方法有两种：一种将条件极值化为无条件极值的问题来求解；并一种是用拉格朗日乘数法求解2〕拉格朗日乘数法求二元函数在约束条件下的极值步骤如下：①作相应的拉格朗日函数②令即③求解上述方程组，得稳定点④判定该点是否为条件极值：如果是实际问题，可由问题本身的性质来判定，如不是实际问题，可用二阶微分判别3) 对于条件极值的一般情形，求函数在约束条件〔其中均具有一阶连续偏函数，且雅可比〔Jacobi〕矩阵的秩为m)下的极值步骤如下：①作拉格朗日函数②分别令得到相应的方程组③解上述方程组得到可能的条件极值点，再对这些点进展判定五)多元函数几何应用1. 平面曲线的切线与法线平面曲线由方程给出，它在点的切线与法线的方程为：切线方程：，法线方程：2. 空间曲线的切线与法平面1) 空间曲线由参数方程表出，假定不全为零，则曲线在处的切线方程式为：;曲线在处的法平面方程式为：.2) 空间曲线由方程式组给出.当中至少一个不为零时，曲线在点的切线方程为：，曲线在点的法平面方程为：。

3. 空间曲线的切平面与法线设曲面由方程给出，是曲面上一点，并设函数在偏导数在该点连续，且不同时为零，则曲面上点处的切平面方程为：，曲面上点处的法线方程为：四、根本例题解题点击【例1】设 是区域上有界的次齐次函数〔〕问极限是否存在？假设存在，试求其值提示】 是次齐次函数是指【解】 令则.因，故.从而=【例2】证明 在点两个偏导数存在，但在点不可微证明】显然，，因此在点两个偏导数存在且等于零.假设在点可微，则有.即，但如果沿直线趋于零，有故，因此在点不可微■【例3】设是连续的可导函数，证明满足方程证明】 设，则.于是 ■【例4】设，其中和为可微分两次的函数. 证明：，其中 ，为拉普拉斯算子.【提示】计算时要计算三个二阶偏导数，而中地位是一样的，故可以考虑利用对称性，从而减少计算量证明】 ，. 由对称性即得，.于是. ■【例5】设为由所定义的函数.证明.【证明】 由得，于是有，同理可得，.注意的是上式一切成立.因此. ■【例6】设为由方程组〔其中为参数〕所定义的函数，求当时和.【证明】.当时，，解出得，因此. ■【例7】 求函数在下最小值解】 作拉格朗日函数令，即解得唯一驻点将它们代入得。

因此在下最小值为 ■【例8】设在全平面上二次可微且恒不为零，证明的充分必要条件是满足方程.【证明】 必要性是显然的.现在证明充分性，由于在全平面上二次可微且恒不等于零，不妨设，令，则有.下面证明，实际上由可得，因此.这说明结论成立. ■【例9】求函数一阶和二阶的偏导数，其中.【证明】等式两边微分，得①故有 .于是，.再将①式微分一次，得.故有 .于是 . ■【例10】设可微函数对任意实数()满足, 点是曲面上一点，且. 求此曲面在点处的切平面方程提示】 是一次齐次函数，弄清楚齐次函数的导函数的特征很重要解】由，对任意的点有，.................(*)将(*)两边对求导得：...................(**)在(**)中令得：故当时，故令, 则法线方向为.故处法线方向为.从而曲面在点处的切平面方程为.即. ■五、扩展例题解题点击【例1】设在上定义，假设在点处连续，而且 在上有界，则在〔0,0〕处连续证明】 由中值定理，得〔其中〕由在上有界，知使.取当时有 〔1〕由在处连续，知当时，有 〔2〕取，当，时，由〔1〕，〔2〕得在处连续。

■【例2】设在闭立方体上连续试证：在区间上连续证明】 令 可得在上连续令且 可得在上连续在关于在上连续因为，所以在上连续 ■【例3】设证明：在点处连续但不可微证明】 由于故对取，当时，,即故在点处连续，下证在点处不可微同理令且与k有关所以在点处不可微 ■【例4】设 证明：在点处连续但不可微证明】 由当时，故从而在点处连续又同理令考虑，即不存在所以在点处不可微 ■【例5】设在区域上上的函数，且1〕对每个的存在；2〕，关于中的一致试证：【证明】 由条件(2)，得当时 〔1〕在上面〔1〕式两边令，则存在，令由条件2〕，得.当时. 〔2〕由条件1〕，得.当时. 〔3〕由，得.当时有.取，当，时 即■例6】证明微分中值定理设二元函数在凸区域上两个偏导数都存在。