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偏导数连续是函数可微的什么条件,连续可偏导函数可微吗

时间:2023-05-05 04:48:42 阅读:270665 作者:3613

多变量微积分里面有这么一个结论:

如果函数 的偏导数 、 在点 连续,那么函数在该点可微。

下面来解释这个结论,并且减弱这个结论的条件。

先简单阐述下“连续”、“偏导数”、“可微”的意义,后面要用到。如果非常熟悉了,可以直接跳到最后一节“偏导数连续推出可微”。

1 连续的含义

通俗来说,用笔作画,不提笔画出来的曲线就是连续的:

1.1 没有缝隙

我们对连续的函数曲线的直观感受是没有缝隙:

如果把曲线看作一条道路的话,那么不管是蚂蚁、人还是自行车,都有能力从左边走到右边:

而不连续的曲线会有断裂:

蚂蚁通过能力太差,就没有办法跨过裂缝:

1.2 另一层含义

从代数上我们可以看到另外一层含义。假设 附近某点为 ,根据连续的性质有:

利用极限的性质可以得到:

因此上式表明, 与附近 的值相差非常小,这层含义也是没有“缝隙”的另外一种阐述。

2 可微的含义

2.1 单变量函数的微分

一元的情况下,在 点可微指的是,在 点附近可以用直线来近似曲线,这根直线就是切线:

距离 越近,这种近似越好,体现为切线和曲线之间的相差越来越小:

令 ,那么 附近曲线与直线的近似可以表示为:

2.2 多变量函数的微分

多元的情况下,就要复杂一些。关于下面内容,想了解更详细的可以参看:

如何通俗的解释全微分?

多元函数中全微分与偏导数、偏微分的直观区别是什么?

如何理解全导数?

2.2.1 偏导数

首先要对偏导数有所了解。多变量的函数 可以是三维空间中的曲面

平面 是一系列平面,它们与曲面交于一条条曲线:

很显然,点在这些曲线上运动, 是不会变化的,只有 会变化:

偏导数 所求的也就是在这些曲线上运动的点的速度(变化率),对于 点,知道它的偏导数就可以得到这条曲线在此点的线性近似,也就是这条曲线的切线,或者称为偏微分:

这种近似关系可以表示为:

同样的道理,偏导数 描述的是只有 值变化的曲线上的点的速度,假设这样的曲线为 ,其切线与之的近似关系可以表示为::

2.2.2 微分

多变量的函数 在 点的微分,指的是在 点找到一个平面来近似曲面,这就是切平面:

切平面与曲面的近似可以表示为:

上面出现了 ,这是因为此点的邻域是一个平面(下面用圆来表示这个平面,实际上这个圆可以任意大小):

此圆的半径可以表示为:

2.3 微分与偏微分的关系

很显然,过 点,并不是只有 方向的曲线(两个方向的曲线的切线就是偏微分):

还有无数别的方向的曲线(随便画了两条):

这些曲线的切线(假如有的话)要在同一个平面,这个平面就是切平面,才叫做可微(详情参考之前给出的参考文章)。

而偏微分只是无数切线中的两条,所以:

比如 就是偏导数存在,但是不可微。它的图像是:

在 点, 与 的交线是下面红色的直线,分别与 轴和 轴重叠:

因此,在 点的偏微分就是 轴和 轴。但是 与 的交线是:

在 点形成了一个尖点:

很显然此曲线的切线不存在(此曲线的左右切线由方向导数决定)。因此 在 点不可微(具体细节也请参看参考文章)。

3 偏导数连续推出可微

前面说了很多,就是为了得到下面这个表格:

下面讲解涉及的三维图像太复杂,不容易看清,所以把三维图像画到二维中,应该不会影响理解。

先给出 、 、 、 四个点,把它们的三维坐标也标出来:

 点的偏导数连续,分别为:

从 出发,运动到 ,很显然只有 方向有变化:

因此 点的值为:

继续往上走到 点:

因为偏导数连续,所以附近的偏导数也是存在的

假设 的偏导数为 ,那么可得:

这里就是关键了,因为偏导数连续,所以 、 偏导数差不多,有:

因此上式可以改写为:

至此,得到了 点可微的结论(上面的等价性没有证明,在一些《数学分析》书籍中,可微采用的是类似的定义)。

注:亦可以利用二元函数中值定理证明,但不管采用哪种证明方法,连续作为条件的作用正是将x+Δx处的偏导转化为x处的偏导,从而化为全微分的线性主部

如果仔细看上面的证明,会发现只用到了 连续,因此条件可以减弱一些:

如果函数 的偏导数 、 在点 及其邻域存在,偏导数其中之一在邻域内连续,那么函数在该点可微。 由此就可以理解这样一句话,

函数在一点可微,在这点偏导数不一定连续

经典的分段函数反例中,函数偏导在(0,0)点周围剧烈"震荡"但是"振幅很小",有多小呢?小到甚至是Δx的高阶无穷小,由此就不在依赖于偏导数,所以偏导数甚至可以不存在!

最新版本可以参见: 为什么偏导数连续,函数就可微?

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