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6.2 多元函数微分法6.2.1 复合函数的微分法 6.2.2 全微分形式不变性一、相关问题1.设(,,)u f x xy xyz =，其中f 具有一阶连续偏导数，显然u 是,x y ，z 的三元函数，如何求u 的一阶偏导数及二阶偏导数．2.一元函数的一阶微分形式的变性是什么？二、相关知识1.如何确定复合函数的中间变量及自变量？2.如何确定复合函数的高阶导数中的中间变量及自变量？三、练习题1.设22ln(1),2sin ,3z x y x t y t =++==，求dy dt。
解 这里z 是函数，,x y 是中间变量，t 是自变量．复合关系图为则222222224c o s 62c o s 3111d y x y x t yt d t x y x y x y+=⋅+⋅=++++++． 2.设(,,)z f x u v =可微，(,,)u g x v y =，(,)v h x y =的偏导数存在，求dz ，zx ∂∂，z y∂∂。
解 由于函数有多重复合结构，用全微分形式的不变性较简便123 dz f dx f du f dv =++ 又 123d u g d x g d vg dy =++，12dv h dx h dy =+ 12123312121312212332222 ()() ()()dz f dx f g dx g dv g dy f h dx h dy f f g f h f g h dx f g f h f g h dy∴=+++++=++++++故12131221zf fg fh f g h x∂=+++∂，2332222z f g f h f g h y ∂=++∂。
3.设20(,)x ytz f t e dt =⎰，其中f 具有连续一阶偏导数，求dz 及2zx y∂∂∂。
解 由于222222(,)(,)(2)x y x y dz f x y e dx y f x y e xydx x dy ==⋅+ 所以22(,)2x y zf x y e xy x∂=∂ 故2222222312122(,)()222()x y x y x y zxf x y e x f x e f xy xf x y f e f x y∂''''=++⋅=++∂∂。
公式号 6.1 图6-1第六章 单元形函数的讨论在有限单元法的基本理论中，形函数是一个十分重要的概念，它不仅可以用作单元的内插函数，把单元内任一点的位移用结点位移表示，而且可作为加权余量法中的加权函数，可以处理外载荷，将分布力等效为结点上的集中力和力矩，此外，它可用于后续的等参数单元的坐标变换等。
根据形函数的思想，首先将单元的位移场函数表示为多项式的形式，然后利用结点条件将多项式中的待定参数表示成场函数的结点值和单元几何参数的函数，从而将场函数表示成结点值插值形式的表达式。
在本节中，重点讨论几种典型单元的形函数插值函数的构造方式，它们具有一定的规律。
然后以平面三角形单元为例，讨论了形函数的性质，在此基础上分析了有限元的收敛准则。
6.1形函数构造的一般原理单元的类型和形状决定于结构总体求解域的几何特点、问题类型和求解精度。
根据单元形状,可分为一维、二维、三维单元。
单元插值形函数主要取决于单元的形状、结点类型和单元的结点数目。
结点的类型可以是只包含场函数的结点值，也可能还包含场函数导数的结点值。
是否需要场函数导数的结点值作为结点变量一般取决于单元边界上的连续性要求，如果边界上只要求函数值保持连续，称为C0型单元，若要求函数值及其一阶导数值都保持连续，则是C1型单元。
在有限元中，单元插值形函数均采用不同阶次的幂函数多项式形式。
对于C0型单元，单元内的未知场函数的线性变化仅用角（端）结点的参数来表示。
结点参数只包含场函数的结点值。
而对于C1型单元，结点参数中包含场函数及其一阶导数的结点值。
与此相对应，形函数可分为Lagrange 型（不需要函数在结点上的斜率或曲率）和Hermite 型（需要形函数在结点上的斜率或曲率）两大类，而形函数的幂次则是指所采用的多项式的幂次，可能具有一次、二次、三次、或更高次等。
另外，有限元形函数[N ]是坐标x 、y 、z 的函数，而结点位移不是x 、y 、z 的函数，因此静力学中的位移对坐标微分时，只对形函数[N ]作用，而在动力学中位移对时间t 微分时，只对结点位移向量作用。
《管理运筹学》第四版第6章单纯形法的灵敏度分析与对偶课后习题解析《管理运筹学》第四版第6章单纯形法的灵敏度分析与对偶课后习题解析《管理运筹学》第四版课后习题解析第6章单纯形法的灵敏度分析与对偶1(解：(l)cl?24⑵ c2?6(3)cs2?82(解：(1)cl??0.5(2)?2?c3?0(3)cs2?0.53(解：(1)bl?250(2)0?b2?50(3)0?b3?1504(解：(1)bl??4(2)0?b2?10(3)b3?4最优基矩阵和其逆矩阵分别为:B???最优解变为xl?10??10??l??, B????41??;41?????x2?0, x3?13,最小值变为-78;?0, x2?14, x3?2,最小值变为-96;最优解没有变化;最优解变为xl6(解：⑴利润变动范围cl?3,故当cl=2时最优解不变。
⑵根据材料的对偶价格为1判断，此做法有利。
(3)0?b2?45o(4)最优解不变，故不需要修改生产计划。
(5)此时生产计划不需要修改，因为新的产品计算的检验数为?3小于零，对原生产计划没有影响。
7.解：⑴设xl,x2,x3为三种食品的实际产量，则该问题的线性规划模型为max z?2.5xl?2x2?3x3约束条件:8xl?16x2?10x3?35010xl?5x2?5x3?4502xl?13x2?5x3?400xl,x2,x3?0解得三种食品产量分别为xl?43.75,x2?x3?0,这时厂家获利最大为109.375万ye©(2)如表中所示，工序1对于的对偶价格为0.313万元，由题意每增加10工时可以多获利3.13万元，但是消耗成本为10万元，所以厂家这样做不合算。
(3)B食品的加工工序改良之后，仍不投产B,最大利润不变;若是考虑生产甲产品，则厂家最大获利变为169.7519万元，其中xl?14.167,x2?0, x3?ll, x4?31.667;(4)若是考虑生产乙产品，则厂家最大获利变为163.1万元，其中xl?ll,x2?0, x3?7.2, x4?38;所以建议生产乙产品。
第六章单元形函数的构造 (1)6.1形函数构造的一般原理 (1)6.2形函数的性质 (7)6.3用面积坐标表达的形函数 (8)6.4有限元的收敛准则 (10)6.5 等效结点载荷列阵 (11)6.5.1 单元载荷的移置 (11)6.5.2 结构整体载荷列阵的形成 (11)6.5.3载荷移置与静力等效关系 (12)习题 (14)第六章单元形函数的构造在有限单元法的基本理论中，形函数是一个十分重要的概念，它不仅可以用作单元的内插函数，把单元内任一点的位移用结点位移表示，而且可作为加权余量法中的加权函数，可以处理外载荷，将分布力等效为结点上的集中力和力矩，此外，它可用于后续的等参数单元的坐标变换等。
根据形函数的思想，首先将单元的位移场函数表示为多项式的形式，然后利用结点条件将多项式中的待定参数表示成场函数的结点值和单元几何参数的函数，从而将场函数表示成结点值插值形式的表达式。
在本节中，重点讨论几种典型单元的形函数插值函数的构造方式，它们具有一定的规律。
然后以平面三角形单元为例，讨论了形函数的性质，在此基础上分析了有限元的收敛准则。
6.1形函数构造的一般原理单元的类型和形状决定于结构总体求解域的几何特点、问题类型和求解精度。
根据单元形状,可分为一维、二维、三维单元。
单元插值形函数主要取决于单元的形状、结点类型和单元的结点数目。
结点的类型可以是只包含场函数的结点值，也可能还包含场函数导数的结点值。
是否需要场函数导数的结点值作为结点变量一般取决于单元边界上的连续性要求，如果边界上只要求函数值保持连续，称为C0型单元，若要求函数值及其一阶导数值都保持连续，则是C1型单元。
在有限元中，单元插值形函数均采用不同阶次的幂函数多项式形式。
对于C0型单元，单元内的未知场函数的线性变化仅用角（端）结点的参数来表示。
结点参数只包含场函数的结点值。
而对于C1型单元，结点参数中包含场函数及其一阶导数的结点值。
与此相对应，形函数可分为Lagrange型（不需要函数在结点上的斜率或曲率）和Hermite型（需要形函数在结点上的斜率或曲率）两大类，而形函数的幂次则是指所采用的多项式的幂次，可能具有一次、二次、三次、或更高次等。
另外，有限元形函数[N]是坐标x、y、z的函数，而结点位移不是x、y、z的函数，因此静力学中的位移对坐标微分时，只对形函数[N]作用，而在动力学中位移对时间t微分时，只对结点位移向量作用。
（1）一维一次两结点单元x j xi图3-8 一维一次两结点单元模型设位移函数u (x )沿x 轴呈线性变化,即x a a x u 21)(+=(5.90)写成向量形式为[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧=211)(a a x x u (5.91)设两个结点的坐标为j i x x ,；两结点的位移分别为j i u u ,，可以代入上式并解出21,a a ，得⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎭⎬⎫⎩⎨⎧-j i j i u u x x a a 12111 (5.92)位移函数u (x )记作形函数与结点参数乘积的形式[]⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡=-j i j i u u x x x x u 1111)( (5.93) 得到形函数为[][][]⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡----==--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=-i j i i j j j i i j ji j i x x x x x x x x N N x x x x x x x x x N 111111][1(5.94) 在自然坐标系内进行定义，则可得到形函数的标准化形式[]⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-==2121][ξξj i N N N (5.95) 其中，自然坐标的变换公式为ξξ-=+==1,1,221L L L 。
图3-9一维一次两结点单元的局部坐标表达（2）二维一次三结点单元（平面三角形单元） 在总体坐标系统下，任一点的某一方向的位移是123(,)u x y a a x a y =++ (5.96)设三个结点的坐标是()()()k k j j i i y x y x y x ,,,,,，k j i u u u ,,为三个结点在某方向上的位移，具有如下关系[]⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⇒⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=-k j i k k j j i i u u u y x y x y x a a a a a a y x u 13213211111 (5.97)得到形函数矩阵如下式[]11111][-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=k k j j i i y x y x y x y x N (5.98)1-=i xj上述推导可用如下MATLAB 程序实现： clearv=sym('[1, x,y]')m=sym('[1,x1,y1;1,x2,y2;1,x3,y3]') mm=inv(m) N=v*mmsimplify(factor(N))（3）三维一次四结点单元（三维四面体单元） 在总体坐标系统下，任一点的某一方向的位移是z a y a x a a x u 4321)(+++= (5.99) 按相似的方法可以得到[][]⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-e k j i e e e k k k j j j i i i e k j i u u u u z y x z y x z y x z y x z y x u u u u N a a a a z y x u 1432111111][1 (5.100) 形函数矩阵如下式[]11111-⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=k k j j i i y x y x y x y x N (5.101)（4）一维二次三结点单元（高次单元）图3-10一维二次三结点单元模型设位移函数为[]⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧=++=321223211a a a x x x a x a a u (5.102)用结点位移k j i u u u ,,代入并求解{}T a a a 321,⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧321222111a a a x x x x x x u u u k i k j j i k j i(5.103)得到[]()()()()()()()()()()()()⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡------------=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡=-k j i j k i k j i k j i j k i k i j i k j k j i k j j i u u u x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x u u u x x x x x x x x u k i 122221111 (5.104)上式等号右端第一项矩阵即为形函数。
（5i j k lij k图3-11 一维三次四结点单元模型位移函数为三次方程[]⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=4321321a a a a x x x u (5.105)需要四个结点参数才能唯一地确定其中的常系数。
这四个结点可以分别取两个端点和两个三分点。
类似地，可以得到如下形函数方程[]{}{}Φ=Φ=⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=-],,,[][1111113232323232l k j i l k j il l k k j j j i N N N N N u u u u x x x x x x x x x x x x x x x u l k i i (5.106) 其中形函数中的各元素为()()()()()()l i k i j i lkjix x x x x x x x x x x x N ------=，()()()()()()lj k j i j lkijx x x x x x x x x x x x N ------=，()()()()()()l k j k i k l j i k x x x x x x x x x x x x N ------=，()()()()()()kl j l i l kj i lx x x x x x x x x x x x N ------=. (5.107)（6）一维三次二结点单元（Hermite 型）（平面梁单元）ii u ,jj u θ,x图3-12 一维三次二结点单元这类单元的位移函数为[]⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=4321321a a a a x x x u (5.108)对应的转角方程为[]⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧==432123210a a a a x x dx du θ (5.109) 用结点参数{}{}Tj i j i u u θθφ=代入求解{}4321a a a a ，即⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⇒⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-j i j i j j i i j j j i j j i i j j j i j i j i u u x x x x x x x x x x a a a a a a a a x x x x x x x x x x u u i i i i θθθθ12232324321432122323232103210113210321011 (5.110) 得到[]⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=-j i j i j j i i j j j i u u x x x x x x x x x x x x x u θθ1223232323213210111{}{}Φ=Φ===][][j i uj ui N N N N N θθ (5.111) 其中形函数矩阵中各元素为()()()3232j ij i j ui x x x x x x x N -+---=，()()()3232jii j i uj x x x x x x x N -+--=()()()22jij iix x x x x x N ---=θ，()()()22jij ijx x x x x x N ---=θ (5.112) 上述结果可用MATLAB 程序进行验证： clearx=sym('x'); j=0:3;v=x.^j % v=[1 x x^2 x^3];m=sym('[1,x1,x1^2,x1^3;1,x2,x2^2,x2^3;0,1,2*x1,3*x1^2;0,1,2*x2,3*x2^2]') mm=inv(m) N=v*mm;simplify(factor(N))（7）二维一次四结点单元（平面四边形单元或矩形单元） 用形函数表达的位移方程如下[][][]{}Φ=⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=-l k j i l k j i l l ll k k kk j j jj i i i i N N N N u u u u y x y x y x y x y x y x y x y x xy y x a a a a xy y x u 14321111111 (5.113) 其中形函数矩阵的元素为))(())((212122y y x x y y x x N i ----=，i =1,2,3,4 (5.114)对于平面四边形单元和矩形单元,可用局部坐标系统很好地加以解释。
