全微分、方向导数、偏导数与连续四者之间的关系

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全微分、方向导数、偏导数与连续四者之间的关系

朱丽娜 郑州工业安全职业学院 451192

摘要 本文结合具体实例分三种情况分别讨论了二元函数的全微分、偏导数和连续之间的关系,全微分存在和任意方向的方向导数存在之间的关系,任意方向的方向导数、偏导数和连续之间的关系,从而得出他们四者之间的所有关系。

关键词 全微分,任意方向上的方向导数,偏导数,连续

对于多元函数的偏导数、方向导数、偏导数和连续等基本概念及其内在联系,既是多元函数微分学中的重难点知识,也是我们教学过程中容易出现的误解和错误盲点.本文就该问题分三种情况、以二元函数为例来加以阐述,以做到加强理解和灵活掌握的目的.

一、全微分、偏导数和连续三者之间的关系

定理1:(必要条件)如果函数(,)zfxy在点(,)xy可微分,则该函数在点(,)xy连续且一阶偏导数存在.

定理2:(充分条件)函数(,)zfxy在点00(,)xy处对,xy的一阶偏导数存在且连续,则在该点处必可微分.

读者还可以从可微的定义看到函数在可微点处必连续,但是在函数的连续点处不一定存在偏导数,当然更不能保证函数在该点可微.如22zxy在原点连续,但是在该点处偏导数不存在,也不可微.

偏导数存在,函数却不一定可微,也不一定连续.

二、全微分存在和任意方向的方向导数存在之间的关系

定理3:函数(,)zfxy在点00(,)xy处可微分,则在该点处任意方向上的方向导数存在,反之不成立.

例1:函数22zxy在点(0,0)处对,xy的全微分不存在,但在该点处沿任意方向的方向导数存在.

证明:0(0,0)(,0)(0,0)limxzzxzxx

01,0,lim1,0,xxxxx

故22zxy在点(0,0)处对x的偏导数不存在,

同理22zxy在点(0,0)处对y的偏导数不存在,

由定理1 22zxy在点(0,0)处对,xy的全微分不存在.

但22zxy在点(0,0)处沿任意方向的方向导数为

0(0,0)(cos,sin)(0,0)limzzzl0lim1 即任意方向上的方向导数存在.

三、任意方向的方向导数、偏导数和连续之间的关系

咱们下面介绍一个更易出错的概念,大多数人以为“若函数在一点处沿任意方向的方向导数存在,则函数在该点处必连续”.这是一个完全错误的概念,如:

例2: 2222422,0,0,0,xyxyzxyxy它在任意方向上的方向导数为:

0(0,0)(cos,cos)(0,0)limzzzl

222240cos,cos0,coscoslimcoscoscos0,cos0,

这一结果表明2222422,00,0xyxyzxyxy在点(0,0)处沿任意方向的方向导数都存在.

但是222001limlim(0,0)2yxxxxzzxx,即函数在该点不连续.

定理4:函数(,)zfxy在点00(,)xy沿任意方向上的方向导数存在,则在该点处偏导数必存在.

证明:函数在点00(,)xy的任意方向的方向导数为:

0000000(,)(,)(,)limxyzxxyyzxyzl

当0y时,该方向导数即为函数在点00(,)xy的偏导数,即偏导数存在且为:

000000000(,)(,)(,)(,)limxxyxyzxxyzxyzzxl

同理0000(,)(,)xyxyzzyl存在.

该定理还有两个结论:

结论1:函数函数(,)zfxy在点00(,)xy处的偏导数存在,但在该点沿任意方向上的方向导数不一定存在. 例3:函数2222222,0,()0,0,xyxyxyzxy在点(0,0)处对,xy的偏导数存在,但在该点处沿任意方向的方向导数不存在.

证明:0(0,0)(,0)(0,0)lim0xzzxzxx

同理,(0,0)0zy存在

但该函数沿任意方向上的方向导数:

0(0,0)(cos,sin)(0,0)limzzzl

240cossinlim20sin21lim2不存在.

结论2:函数函数(,)zfxy在点00(,)xy处的偏导数不存在,但在该点沿任意方向上的方向导数可能存在.

例4:函数22zxy在点(0,0)处对,xy的偏导数不存在,但在该点处沿任意方向的方向导数存在.

证明:函数22zxy在点(0,0)处对,xy的偏导数为:

0(0,0)(,0)(0,0)limxzzxzxx

01,0,lim1,0,xxxxx

故函数在点(0,0)处对x的偏导数不存在,同理函数在点(0,0)处对y的偏导数不存在,

由上面的例2知道函数在点(0,0)处沿任意方向的方向导数存在.

定理5:函数(,)zfxy在点00(,)xy处对,xy的一阶偏导数存在且连续,则在该点处沿任意方向的方向导数必存在.

证明:由定理知函数(,)zfxy在点00(,)xy处可微分.又由定理知函数(,)zfxy在点00(,)xy处沿任意方向的方向导数必存在.

综合以上分析知,上述研究问题的手段即是我们今后教学中研究多元(2)n函数性质值得借鉴的基本方法,更为广大同学的学习提供了一种讨论类似数学问题的基本思路.

参考文献:

1.同济大学数学系.高等数学(下册)[M].北京:高等教育出版社,2007.

2.华东师范大学数学系.数学分析(下册)[M].北京:高等教育出版社,1999.

3.常庚哲,史济怀.数学分析教程[M].南京:江苏教育出版社,1998.