5.5.1 一元向量值函数#
对f(X)=(f1(X),...,fm(X)),定义导数
f′(X0)=(f1′(X0),...,fm′(X0))
定义二阶导数
f′′(X0)=(f1′′(X0),...,fm′′(X0))
若存在向量a=(a1,a2,...,am),使
f(X0+ΔX)=f(X0)+aΔX+o(ΔX)
,则称f在X=X0处可微
f在X0处的微分df(X0)=aΔX
f(X)=(f1(X),...,fm(X))在X=X0可微,等价于,每个fi(X)在X=X0处可微
5.5.2 二元向量值函数 f(x1,x2)=(f1(x1,x2),...,fm(x1,x2))
若每个fi都在X0=(x0,1,x0,2)可微,则称f在X0可微,也成f在X0可导可微,并称
d(f(X0))=(df1(X0),...,dfm(X0))T=∂x1∂f1(X0)dx1+∂x2∂f1(X0)dx2...∂x1∂fm(X0)dx1+∂x2∂fm(X0)dx2=∂x1∂f1...∂x1∂fm∂x2∂f1∂x2∂fm[dx1dx2]为f在X0的微分,且称m×2矩阵
A=∂x1∂f1...∂x1∂fm∂x2∂f1∂x2∂fmX=X0为f在X0的导数,此矩阵称为Jacobi矩阵
此时df(X0)=A(dx1,dx2)T=∇df(X0)dX
定理5.2 f:U(X0)⊂Rn→Rm,f在X0可微的充分条件是每个∂xj∂fi在X0连续,1≤i≤m,1≤j≤n
5.5.4 由方程组确定的隐函数组的微分方法#
设方程组F(x,y,u,v)=0,G(x,y,u,v)=0(5.36)
确定的两个定义在D⊂R2上的函数u=u(x,y),v=v(x,y)
称为由(5.36)确定的隐函数组
设F,G,u,v都可微,对(5.36)取微分得
{Fxdx+Fydy+Fudu+Fvdv=0Gxdx+Gydy+Gudu+Gvdv=0(∗){Fudu+Fvdv=−Fxdx−FydyGudu+Gvdv=−Gxdx−Gydy为了解出du,dv
需要行列式
∂(u,v)∂(F,G)=FuGuFvGv=0(5.37)称为F,G关于u,v的Jacobi行列式
定理5.5(隐函数组存在定理)#
(i)设F(x,y,u,v)与G(x,y,u,v)在区域V⊂R4上连续,P0(x0,y0,u0,v0)为内点
(ii)F(P0)=G(P0)=0
(iii)F,G在V内有连续一阶偏导数
(iv)在P0处,∂(u,v)∂(F,G)=0
则在点P0的某个领域U(P0)内,方程组(5.36)唯一确定一个定义在点Q0(x0,y0)的某个领域U(Q0)内的函数组u=f(x,y),v=g(x,y)使得
1∘,u0=f(x0,y0),v0=g(x0,y0)
when(x,y)∈U(Q0)→(x,y,f(x,y),g(x,y)∈U(P0)),F(x,y,f(x,y),g(x,y))=0
2∘在U(Q0)内,u=f(x,y),v=g(x,y)
有连续一阶偏导数,且du,dv满足方程组(∗)
即
{Fudu+Fvdv=−Fxdx−FydyGudu+Gvdv=−Gxdx−GydyEx1 讨论方程组#
(∗){F(x,y,u,v)=u2+v2−x2−y=0G(x,y,u,v)=−u+v−xy+1=0在点P0(1,1,1,1)附近确定怎样的隐函数组,并求一阶微分
解
F(P0)=G(P0)=0
F,G在R4内有一阶连续偏导数
(FuGuFvGvFxGxFyGy)P0=(2u−12v1−2x−y−1−x)P0=(2−121−2−1−1−1)因为∂(u,v)∂(F,G)P0=4所以确定u=u(x,y),v=v(x,y)
对(∗)取微分得
{2udu+2vdv−du+dv=2xdx+dy=ydx+xdy解出
du=2(u+v)(2x−2vy)dx+(1−2vx)dy
dv=2(u+v)(2x+2vy)dx+(1+2ux)dy
改:求u,v在点(1,1)处的一阶微分
有
{2du+2dv−du+dv=2dx+dy=dx+dy