19.2.1 全微分的定义与基本性质
Section titled “19.2.119.2.1 全微分的定义与基本性质”为方便起见,这里仅讨论二元函数。设 z = f(x, y) 在点 (x₀, y₀) 的某邻域上有定义。如果 Δ z = f(x₀ + Δ x, y₀ + Δ y) - f(x₀, y₀) 可以表示为
Δ z = A Δ x + B Δ y + o (r) (r arrow 0),其中 A, B 是两个仅与点 (x₀, y₀) 有关而与 Δ x, Δ y 无关的常数, o(r) 是当 r → 0 时关于 r 的高阶无穷小量, r = √((Δ x)² + (Δ y)²) ,则称 f 在点 (x₀, y₀) 可微,且称 AΔ x + BΔ y 是函数 f 在点 (x₀, y₀) 的全微分,记作
d z = A Δ x + B Δ y.习惯上,记 Δ x = dx,Δ y = dy ,于是全微分 dz 又可以写为
d z = A d x + B d y.从全微分的定义可知,如果函数 f 在点 (x₀, y₀) 可微,那么在点 (x₀, y₀) 附近有
f (x _ 0 + Δ x, y _ 0 + Δ y) ≈ f (x _ 0, y _ 0) + A Δ x + B Δ y.上式右端是一个线性函数,因此可微的意义在于在点 (x₀, y₀) 附近函数可用关于 Δ x 与 Δ y 的一个线性函数近似代替.
全微分具有下列性质:
(1) 如果 f 在点 (x₀, y₀) 可微,则
A = frac ∂ f∂ x (x _ 0, y _ 0), B = frac ∂ f∂ y (x _ 0, y _ 0);(2) 若 f 在点 (x₀, y₀) 可微,则 f 在点 (x₀, y₀) 连续。
由性质(1)知,如果 f 在点 (x₀, y₀) 可微,则 f 在点 (x₀, y₀) 的全微分是
d f = frac ∂ f∂ x (x _ 0, y _ 0) d x + frac ∂ f∂ y (x _ 0, y _ 0) d y.类似地可定义高阶全微分
d ^ n f = d (d ^ n - 1 f) = (d x frac ∂∂ x + d y frac ∂∂ y) ^ n f,其中 (dx(∂)/(∂ x)+dy(∂)/(∂ y))ⁿ 是将 dx, dy, (∂)/(∂ x) , (∂)/(∂ y) 视为通常的量按照二项式定理展开而得到的对 f 的一个形式记号,实际上是一个微分算子.
全微分的几何意义 设 z = f(x, y) 是空间 R³ 中的曲面,如果 f 可微,那么在点 ±bp₀(x₀, y₀, z₀) 附近,曲面可以用它在点 ±bp₀ 的切平面近似代替.其差是关于 r = √((x - x₀)² + (y - y₀)²) 的一个高阶无穷小量,切平面由两个线性无关的切向量 τₓ, τ_y 张成,其法向量为
boldsymbol n = (frac ∂ f∂ x (x _ 0, y _ 0), frac ∂ f∂ y (x _ 0, y _ 0), - 1).与一元函数的情况类似,全微分可用于近似计算与估计误差.以二元函数为例,
f (x _ 0 + Δ x, y _ 0 + Δ y) ≈ f (x _ 0, y _ 0) + frac ∂ f∂ x (x _ 0, y _ 0) Δ x + frac ∂ f∂ y (x _ 0, y _ 0) Δ y就是 (x₀,y₀) 附近的一个近似公式,
Δ z ≈ frac ∂ f∂ x (x _ 0, y _ 0) Δ x + frac ∂ f∂ y (x _ 0, y _ 0) Δ y就是点 (x₀,y₀) 附近的一个近似的误差估计式(参见上册 6.3.2 小节中的例题).
求 A = sqrt1 - (1.004)² + (1.994)² 的近似值.
解
取 z = f(x,y) = √(1 - x² + y²) , x₀ = 1 , y₀ = 2 , Δ x = 0.004 , Δ y = -0.006.计算得
frac ∂ f∂ x (1, 2) = - frac 12, frac ∂ f∂ y (1, 2) = 1.于是 A = f(1.004, 1.994) ≈ f(1, 2) - 1/2 · (0.004) + 1 · (-0.006) = 1.992 .
19.2.2 多元函数的连续性、偏导数存在性及可微性之间的关系
Section titled “19.2.219.2.2 多元函数的连续性、偏导数存在性及可微性之间的关系”多元函数在一个点处的连续性、偏导数存在性及可微性之间有下列关系:

由此可得到证明一个函数 f(x,y) 在点 (x₀,y₀) 不可微的常用方法如下:
(1) f(x,y) 在 (x₀,y₀) 点至少有一个偏导数不存在;
(2) f(x,y) 在 (x₀,y₀) 点不连续;
(3) 从定义出发证明 Δ f - fₓ(x₀, y₀)Δ x - f_(y)(x₀, y₀)Δ y ≠ o(r) .
设 f(x,y)=√(|xy|) ,证明:
(1) f(x,y) 在 (0,0) 点连续;
(2) (∂ f)/(∂ x)(0,0), (∂ f)/(∂ y)(0,0) 都存在;
(3) f(x,y) 在 (0,0) 点不可微.
证
(1) 由于 |Δ f| = |Δ x|¹/2|Δ y|¹/2 ,于是
lim _ (Δ x, Δ y) arrow (0, 0) f (x, y) = lim _ (Δ x, Δ y) arrow (0, 0) [ f (0, 0) + Δ f ] = 0 = f (0, 0).(2) 直接按定义计算得
frac ∂ f∂ x (0, 0) = lim _ Δ x arrow 0 frac f (Δ x , 0) - f (0 , 0)Δ x = 0,frac ∂ f∂ y (0, 0) = lim _ Δ y arrow 0 frac f (0 , Δ y) - f (0 , 0)Δ y = 0.(3) 由于
Δ f - f _ x (0, 0) Δ x - f _ y (0, 0) Δ y = | Δ x | ^ frac 12 | Δ y | ^ frac 12,取 Δ x = Δ y→ 0 ,则
frac Δ f - f _ x (0 , 0) Δ x - f _ y (0 , 0) Δ yr = frac | Δ x | ^ frac 12 | Δ y | ^ frac 12sqrt (Δ x) ^ 2 + (Δ y) ^ 2 longrightarrow frac 1sqrt 2 ≠ 0,所以 f(x,y) 在 (0,0) 点不可微.
f(x,y) 在点 (x₀,y₀) 处可微时,成立无穷小增量公式:
f (x _ 0 + Δ x, y _ 0 + Δ y) = f (x _ 0, y _ 0) + f _ x (x _ 0, y _ 0) Δ x + f _ y (x _ 0, y _ 0) Δ y + o (| Δ x | + | Δ y |).上述例子说明仅有 fₓ(x₀,y₀),f_(y)(x₀,y₀) 存在还不足以保证二维无穷小增量公式成立.这与一维无穷小增量公式(上册 159 页 6.1)成立的条件是不一样的,由此可以体会一元导数与多元偏导数的区别.
设 f(x,y) = |x - y|φ (x,y) ,其中 φ (x,y) 在点 (0,0) 的一个邻域上有定义,要求给函数 φ (x,y) 加上适当的条件,使得
(1) f(x,y) 在点 (0,0) 连续;
(2) f(x,y) 在点 (0,0) 存在偏导数;
(3) f(x,y) 在点 (0,0) 可微.
解
(1) 由于 f(0,0) = 0 ,而在点 (0,0) 附近
| f (x, y) | ≤slant 2 sqrt x ^ 2 + y ^ 2 | φ (x, y) |,于是当
lim _ (x, y) arrow (0, 0) sqrt x ^ 2 + y ^ 2 φ (x, y) = 0时, f(x,y) 在 (0,0) 点连续.
特别地,当 φ(x,y) 在点 (0,0) 附近有界时, f(x,y) 在点 (0,0) 连续.
(2) 由于单侧导数
r l(frac ∂ f∂ x) _ ± (0, 0)&= lim _ x arrow 0 ^ ± frac f (x , 0) - f (0 , 0)x&= lim _ x arrow 0 ^ ± frac ± x φ (x , 0)x = ± lim _ x arrow 0 ^ ± φ (x, 0),从而当 limₓ→ 0⁺φ (x,0) = -limₓ→ 0⁻φ (x,0) 时, (∂ f)/(∂ x) (0,0) = limₓ→ 0⁺φ (x,0).
同理当 lim_(y→ 0⁺)φ (0,y) = -lim_(y→ 0⁻)φ (0,y) 时, (∂ f)/(∂ y) (0,0) = lim_(y→ 0⁺)φ (0,y).特别地,当 lim_((x,y)→ (0,0))φ (x,y) = 0 时, (∂ f)/(∂ x) (0,0) = (∂ f)/(∂ y) (0,0) = 0.
(3) 由于
r l & f (x, y) - frac ∂ f∂ x (0, 0) x - frac ∂ f∂ y (0, 0) y & = | x - y | φ (x, y) - [ lim _ x → 0 ^ + φ (x, 0) ] x - [ lim _ y → 0 ^ + φ (0, y) ] y & = { l l [ φ (x, y) - lim _ x → 0 ^ + φ (x, 0) ] x - [ φ (x, y) + lim _ y → 0 ^ + φ (0, y) ] y, & text 若 x ≥slant y, - [ φ (x, y) + lim _ x → 0 ^ + φ (x, 0) ] x + [ φ (x, y) - lim _ y → 0 ^ + φ (0, y) ] y, & text 若 x < y, .由此可以推出,当
lim _ (x, y) arrow (0, 0) φ (x, y) = 0时, (∂ f)/(∂ x)(0,0)=(∂ f)/(∂ y)(0,0)=0 且 f(x,y) 在 (0,0) 点可微.
19.2.3 思考题
Section titled “19.2.319.2.3 思考题”1.为什么说 fₓ(x₀, y₀) 存在就能保证一元函数 f(x, y₀) 在点 x₀ 连续?由此能否进一步断言:对充分接近 y₀ 的 y₁ ,一元函数 f(x, y₁) 在点 x₀ 连续?
2.证明全微分的性质 (1), (2).
3.举例说明:
(1) f(x,y) 在某一点的邻域内存在偏导数,但在该点不一定连续,从而不一定可微;
(2) f(x,y) 在某一点连续,但在该点偏导数不一定存在,从而不一定可微;
(3) f(x,y) 在某一点可微,但在该点偏导数不一定连续.
4.证明:若 fₓ(x, y) 在点 (x₀, y₀) 存在, f_(y)(x, y) 在点 (x₀, y₀) 连续,则 f(x, y) 在点 (x₀, y₀) 可微.
5.设 z = f(x, y) 在开集 D = (a, b) × (c, d) 上可微,且全微分 dz 恒为零。问 f(x, y) 在 D 上是否应取常数值?证明你的结论。
19.2.4 练习题
Section titled “19.2.419.2.4 练习题”1.设 f(x, y) = (√(|x - y|))/(x² + y²) sin (x² + y²), & x² + y² ≠ 0, 0, & x² + y² = 0,
讨论:
(1) f(x,y) 在点 (0,0) 是否连续?
(2) f(x,y) 在点 (0,0) 是否可微?
2.设 f(x, y) = xy sin (1)/(x² + y²), & x² + y² ≠ 0, 0, & x² + y² = 0.
证明:
(1) fₓ(0,0), f_(y)(0,0) 都存在;
(2) fₓ(0,0), f_(y)(0,0) 在点 (0,0) 不连续;
(3) f(x,y) 在点 (0,0) 可微.
(本题也说明从可微不能推出偏导数连续.)
3.设 f(x, y, z) 在开集 D 上有定义, fₓ(x, y, z) 与 f_y(x, y, z) 在 D 上有界,且对固定的 (x, y), f(x, y, z) 是 z 的连续函数。证明: f(x, y, z) 在 D 上连续。
4.求 u = ln (1 + x² + y²) 在 (x, y) = (1, 2) 处的全微分.
5.已测得一圆柱体的底圆直径 D₀=10.44 ,高 H₀=18.36 ,且测量误差 |Δ D|≤slant0.02,|Δ H|≤slant0.01 。试估计用体积公式 V=1/4π D²H 计算时的绝对误差 Δ V 与相对误差 Δ V/V 。
6. f(x,y) 定义在矩形 I = [a,b]× [c,d] 上,且 f_(y) 在 I 上连续,证明: f(x,y) 对 y 满足一致 Lipschitz 条件,即 ∃ L > 0 ,使得 ∀ (x,y₁),(x,y₂)∈ I ,都有
| f (x, y _ 1) - f (x, y _ 2) | ≤slant L | y _ 1 - y _ 2 |,其中 L 与 x 无关.
7.若函数 f(x, y) 的偏导数 fₓ 和 f_y 在区域 D 内存在,且 ∀ (x, y) ∈ D, fₓ(x, y) = f_y(x, y) = 0.证明: f(x, y) 在 D 上为常值函数.
8.设 Ω ∈ R² 是开区域, u(x,y), v(x,y) 在 Ω 内满足
frac ∂ u∂ x = frac ∂ v∂ y, frac ∂ u∂ y = - frac ∂ v∂ x, u ^ 2 + v ^ 2 = C,其中 C 为常数,证明: u(x,y), v(x,y) 在 Ω 上均为常值函数.
9.设 f(x, y) 在 G = {(x, y) | x² + y² < 1} 上有定义.若 f(x, 0) 在点 x = 0 处连续,且 f_y(x, y) 在 G 上有界.证明: f(x, y) 在点 (0, 0) 处连续.