大学高等数学经典课件83

高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系第三节第三节 全全 微微 分分一一.全微分的概念全微分的概念 由一元函数可微的定义知,若函数y=f(x)在点x处可微,则对固定的x,自变量的增量x所对应的函数增量y=f(x+x)-f(x)可表成:y=A x+o(x)即因变量增量y看作x的函数,它能用自变量增量x的线性函数A x(其中A=f (x)来近似代替,误差为x的高阶无穷小.HRRH高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系 对于二元函数,我们用一个例子来说明例1 用钢板制造一个园柱形无盖容器,该容器底面的内半径为2米,内侧面高为5米,侧壁厚为1厘米,底厚为1.5厘米,试计算所用钢的重量.015.0,01.0.5,2HRHRHRHHRRRRHRHHRRV22222)(2()()()(82.0)()(223222mRHRHHRRHRRRH)(437.685.782.0TG高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系HRHHRRV22)()(.015.0,01.0.5,2HRHR222)()(22RHRHHRRHRRRH这表示二元函数的微分也可以象一元函数的微分一样.下面我们把二元函数的微分用数学语言叙述:HRRRH22HHVRRVVRHVRHRVHRV22,2,高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系 一般地,设函数z=f(x,y)在区域D内有定义,点p(x,y)D,当自变量x取得增量x,自变量y取得增量y时,得到p(x+x,y+y),假设pD,函数在点p与p处的函数值之差f(x+x,y+y)-f(x,y)称为函数在点(x,y)对应于自变量增量x,y的全增量,记作z,即)2)(,(),(yxfyyxxfz定义 如果函数z=f(x,y)在点(x,y)的全增量z可表示为)3)(oyBxAz高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系 其中A,B不依赖于x,y而仅与x,y有关,为点p到p的距离,22)()(yx定义 如果函数z=f(x,y)在点(x,y)的全增量z可表示为)3)(oyBxAz而Ax+B y称为函数z=f(x,y)在点(x,y)的全微分,记作dz,即 (1)下面我们看可微与连续可微与连续的关系.)3)(oyBxAzdz=Ax+By知道,如果函数f(x,y)在点(x,y)则称函数z=f(x,y)在点(x,y)可微分.可微分,则当0时(当然同时有x0,y0高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系)2)(,(),(yxfyyxxfz),(),(lim),(lim00yxfzyxfyyxxf得到22)()(yx即函数z=f(x,y)在点P(x,y)处连续.因此如果函数在点P(x,y)处不连续(当0时,z不趋向0).则函数在该点一定不可微.这就是说,连续是可微的必要条件连续是可微的必要条件.)就有z0,于是由高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系(2).函数可微分与偏导数存在的关系 若函数z=f(x,y)在点(x,y)可微分,那么(3)式对于任意x和y成立令y=0,这时=|x|,(3)式变为)3)(oyBxAz)5)(),(),(xoxAyxfyyxxf 把上式两边除以x,再令x0取极限,得Axyxfyxxfx),(),(lim0高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系 由偏导数定义,知函数z=f(x,y)在点(x,y)处对x的偏导数存 AxzByz 如果函数z=f(x,y)在点(x,y)可微分,那么函数z=f(x,y)在点 .,yzBxzAyzxz,从而函数z=f(x,y)在点(x,y)的全微分可写为.dyyzdxxzdz 上述结论的逆命题不成立.例如,在第二节中已经知道,函数(全微分的必要条件全微分的必要条件)在,并且等于A,即.同样可得(x,y)处的 偏导数必存在,并且高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系),(yxf0,0.0,222222yxyxyxxy000lim)0,0()0,(lim)0,0(00hhfhffhhx这表示函数在(0,0)点存在两个偏导数但在(0,0)处不可微.因为如果z在(0,0)处可微,则必有)(),()0,0()0,0(ozoyyzxxzz它不是的高阶无穷小,因为当点p(x,y)沿着x=y直线趋向(0,0)有021)(2)()(222 xxxyxyx0)0,0(),0(lim)0,0(0kfkffky22)()()0,0(),(yxyxfyxfz但高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系 在点(0,0)处的两个偏导数存在,且fx(0,0)=0,fy(0,0)=0.但函数在(0,0)处不连续,因此是不可微分的,从而全微分不存在.尽管这时能形式地写出但它与z之差并不是高阶无穷小.因而偏导数存在 .yyzxxz只是全微分存在的必要条件.但是,如果再假定函数的各个偏导数连续,则全微分一定存在.有下面定理.定理定理2 如果函数z=f(x,y)的偏导数yzxz,在点(x,y)处连续,则函数在该点可微.(全微分的充分条件全微分的充分条件)高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系 在第一方括号内的表达式,由于y+y不变,因而可看作是x的一元函数f(x,y+y)的增量,于是应用拉格朗日中值定理,得到),(),(yxfyyxxfz)10(),(),(),(11xyyxxfyyxfyyxxfx证明:因为我们只限于讨论在某一区域内有定义的函数(对于偏导数也同样),所以假定偏导数在点(x,y)连续,就含有偏导数在该点的某一邻域内必然存在的意思(以后凡说到偏导数在某一点连续都是这样理解).设点(x+x,y+y)为这邻域内任意一点,考察函数的全增量),(),(),(),(yxfyyxfyyxfyyxxf高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系又依假设,fx(x,y)在点(x,y)连续,所以上式可写成)4(),(),(),(1xxyxfyyxfyyxxfx其中1为x,y的函数,且当x0,y0时,10 同理可证明第二个方括号内的表达式可写成)5(),(),(),(2yyyxfyxfyyxfy其中2为y的函数,且当y0时,20 由(4),(5)式可见,在偏导数连续的假定下,全增量z表示为容易看出高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系)6(),(),(21yxyyxfxyxfzyx 它是随着(x,y)(0,0)即 0而趋于零的.这就证明了z=f(x,y)在点(x,y)是可微分的 以上关于二元函数全微分的定义及可微分的必要条件和充分条件可以完全类似地推广到三元和三元以上的多元函数.习惯上,我们把自变量的增量x,y分别记为dx,dy,并称为自变量x,y的微分,这样函数z=f(x,y)的全微分可写成2121yx高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系)7(dyyzdxxzdz 通常我们把二元函数的全微分等于它的两个偏微分之和这件事称为二元函数的微分符合叠加原理.而叠加原理也适合于三元以上的函数.dzzudyyudxxuduzyxfu),(例例2 求函数z=xsin(x+y)的全微分.解:)cos(),cos()sin(yxxyzyxxyxxzdyyxxdxyxxyxdz)cos()cos()sin(高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系例例3 求z=x2y2+xy3-2y4.在点(3,1)处的全微分.832,232232yxyyxyzyxyxz例例4 求函数u=cos(x+y)+exz的全微分.xzxzxezuyxyuzeyxxu).sin(.)sin(dydxdzyzxzyxyx197.19,71313dzxedyyxdxyxzeduxzxz)sin()sin(解:高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系:5求下列函数的全微分例yxarctgzxyzxyzxyzyxz)5(ln)4()3(,)2(,)1(xdyydxdzdydxdz)2(.)1(:解这几个函数的全微分并不难求,可作为公式记忆,在以后的微分方程中给我们带来方便.xyydxxdydzxydxxdydz)4()3(22222211)5(yxxdyydxyxdyydxyxdz高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系 二元函数的极限,连续,偏导数和可微,它们之间的关系是:处可微在处偏导数存在在处连续在存在),(),(),(),(),(),(),(lim00000000yxyxfyxyxfyxyxfyxfyyxx二二.全微分在近似计算上的应用全微分在近似计算上的应用 由上面讨论知道,可微函数z=f(x,y)的全增量可以表示为).(),(),(oyyxfxyxfzyx解题步骤是:(1)选函数 (2)选(x0,y0)(3)代入上面公式计算)7.(),(),(,0,yyxfxyxfdzzyxyx)8(),(),(),(),(yyxfxyxfyxfyyxxfyx高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系例例6 用全微分计算例1中园柱形容器所用钢的重量的近似值.解:5,2:),()2(,)1(00002HRHRHRV选选函数进行计算代入HRRRHdV22)3(HRRRHdVVHR22.015.0,01.0)(82.026.0)015.0201.0522(32m)(437.682.085.7TG高等数学电子教案高等数学电子教案 武汉科技学院数理系武汉科技学院数理系dhRRhdRdVhRV222例7 已知圆柱体的高与底半径的相对误差分别为h 与R,求其体积的相对误差V解:在工程上,常常需要分析误差,其思路就是利用微分的近似计算RhVRdRhdhRdRhdhhRdhRRhdRVdV222222