偏导数

在求一元函数在某一点处的切线斜率或者函数的变化率的时候,我们导出了函数的导数的定义。但是对于多元函数来说,一点处的切线有无数多条,过一点的曲线也有无数多条,函数的变化率在各个方向也都不相同,那如何处理多元函数的切线斜率和函数的变化率呢?

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我们首先处理二元函数的情形。做法是取这一点的两个特殊方向,或者过这一点的两条特殊的曲线,用一元函数的方法来处理,然后其它的方向上的问题可以由这两个方向来处理。

考虑函数 \(z=f(x,y)\) 在点 \((a,b)\) 处的变化率。我们先固定 \(y=b\),只考虑 \(x\) 方向上的变化率。因为 \(y\) 固定,所以 \(z=f(x,b)\) 是关于 \(x\) 的一元函数,所以它对 \(x\) 有导数,它的图形在这一点有切线,它的斜率就是关于 \(x\) 在这一点的导数。我们把它叫做函数 \(z=f(x,y)\) 关于 \(x\) 的偏导数,它的定义为

偏导数:函数 \(z=f(x,y)\) 在点 \((a,b)\)处关于 \(x\) 的偏导数定义为\[\frac{\partial f}{\partial x}\Big|_{(a,b)}=\lim_{h\to0}\frac{f(a+h,b)-f(a,b)}{h}\]或者\[\frac{\partial f}{\partial x}\Big|_{(a,b)}=\lim_{x\to a}\frac{f(x,b)-f(a,b)}{x-a}\]

同理,我们可以定义函数 \(z=f(x,y)\) 在点 \((a,b)\)处关于 \(y\) 的偏导数\[\frac{\partial f}{\partial y}\Big|_{(a,b)}=\lim_{h\to0}\frac{f(a,b+h)-f(a,b)}{h}=\lim_{y\to b}\frac{f(a,y)-f(a,b)}{y-b}\]

对于函数 \(z=f(x,y)\) 在其定义域内任意一点,我们定义它的偏导数为

\[\frac{\partial f}{\partial x}=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(x+\Delta x,y)-f(x,y)}{\Delta x}\]

\[\frac{\partial f}{\partial y}=\lim_{\Delta y\to0}\frac{f(x,y+\Delta y)-f(x,y)}{\Delta x}\]

对于三元函数甚至更多元的函数,我们可以类似定义。每次只允许一个变量变化,其它变量都固定。

偏导数的求法:从偏导数的定义我们可以看到,在一点的偏导数,只有一个变量是变化的,其它变量都固定。所以在求偏导数的时候,把其它变量都当成常数,用一元函数的求导法则来求即可。

例1:设 \(f(x,y)=x^y\),求它的两个偏导数。

解:求关于 \(x\) 的偏导数的时候,将 \(y\) 看成常数,所以它是一个幂函数,也就是\[\frac{\partial f}{\partial x}=yx^{y-1}\]

对 \(y\) 求偏导数的时候,\(x\) 是常数,所以函数是一个指数函数。\[\frac{\partial f}{\partial y}=x^y\ln x\]

例2:\(f(x,y,z)=\ln(x+2y+3z)\),求它的三个偏导数。

解:我们有

\[\frac{\partial f}{\partial x}=\frac{1}{x+2y+3z},\quad\frac{\partial f}{\partial y}=\frac{2}{x+2y+3z},\quad\frac{\partial f}{\partial z}=\frac{3}{x+2y+3z}\]

例3:\(z=1-x+y-3x^2y\),求它在点 \((1,2)\)处的偏导数。

解:我们有 \[\frac{\partial z}{\partial x}\Big|_{(1,2)}=-1-6xy\Big|_{(1,2)}=-13,\quad \frac{\partial z}{\partial y}\Big|_{(1,2)}=1-3x^2\Big|_{(1,2)}=-2\]

最后我们来看一个需要用定义来求偏导数的例子。

例4:设\[f(x,y)=\begin{cases}\frac{\sin(x^4+y^4)}{x^2+y^2},& (x,y)\ne(0,0)\\ 0,& (x,y)=(0,0)\end{cases}\]求它在点 \((0,0)\) 处的偏导数。

解:这是一个分段函数,它的偏导数存在不存在我们不知道,所以我们用定义来求。

\[\begin{align*}\frac{\partial f}{\partial x}\Big|_{(0,0)}&=\lim_{x\to 0}\frac{f(x,0)-f(0,0)}{x}\\&=\lim_{x\to 0}\frac{\sin x^4}{x^2}\\&=\lim_{x\to 0}\frac{\sin x^4}{x^4}\cdot x^2=0\end{align*}\]

因为对称性,我们知道 \(\frac{\partial f}{\partial x}\Big|_{(0,0)}=0\)