19.4.1 无穷小增量公式与拟微分平均值定理
Section titled “19.4.1 无穷小增量公式与拟微分平均值定理”设 D 是 Rⁿ 中的一个开集,f: D arrow R^(m) 是一个向量值函数,即
boldsymbol f (boldsymbol x) = (f _ 1 (boldsymbol x), f _ 2 (boldsymbol x), … , f _ m (boldsymbol x)), boldsymbol x = (x _ 1, x _ 2, … , x _ n),其中 f₁, f₂, …, fₘ 均是 n 元实函数。当 f₁, f₂, …, fₘ 均是 D 上的可微函数时,称 f 是 D 上的可微向量值函数,或者是 D 上的可微映射。当 f 在点 x₀ ∈ D 处可微时,称 Jacobi (雅可比) 矩阵
(frac ∂ f _ i∂ x _ j (boldsymbol x _ 0)) _ m × n为 f 在点 x₀ 处的全导数,记为 f'(x₀) (又记为 Jf(x₀) ),它表示了一个自 Rⁿ 到 R^(m) 的线性变换。当 f 在点 x₀ 处可微时,我们有如下无穷小增量公式,它给出了向量值函数的差的局部估计。
设开区域 D ⊂ Rⁿ,f: D → R^(m) 在 D 上可微,点 x₀, x ∈ D,则
boldsymbol f (boldsymbol x) = boldsymbol f (boldsymbol x _ 0) + J boldsymbol f (boldsymbol x _ 0) (boldsymbol x - boldsymbol x _ 0) + o (boldsymbol x - boldsymbol x _ 0).其中 o(x-x₀) 表示当 |x-x₀|arrow0 时模为高阶无穷小量的向量。
所以,可微映射在局部可以线性化,它是一个常值映射与一个线性变换的和。例题 19.2.2 说明偏导数存在还不足以保证无穷小增量公式成立。
在一元微分学中,Lagrange 中值定理给出了一元函数的差(即增量)的大范围估计。对于定义在凸区域 D⊂ Rⁿ 上的 n 元可微函数 f(x),也有类似的微分中值定理,即当 ±b a,±b b∈ D 时,∃ θ ∈ (0,1),使
f (boldsymbol b) - f (boldsymbol a) = ∇ f (boldsymbol a + θ (boldsymbol b - boldsymbol a)) · (boldsymbol b - boldsymbol a),其中 ∇ f(x)=(frac∂ f∂ x₁,frac∂ f∂ x₂,…,frac∂ f∂ xₙ),“.”表示内积。事实上我们可以证明:
设 F 是 Rⁿ 的开集 G 到 R^(m) 的可微映射 (向量值函数),x, y ∈ G,x ≠ y,证明:若线段 overlinexy ∈ G,则 ∀ a ∈ R^(m), ∃ z ∈ overlinexy,使得
boldsymbol a · [ F (boldsymbol y) - F (boldsymbol x) ] = boldsymbol a · J F (boldsymbol z) (boldsymbol y - boldsymbol x). (19.18)证明
定义一元函数
f (λ) = boldsymbol a · [ boldsymbol F (boldsymbol x + λ (boldsymbol y - boldsymbol x)) - boldsymbol F (boldsymbol x) ],则 f(1) = a · [F(y) - F(x)],f(0) = 0,由一元函数的中值定理得
boldsymbol a · [ boldsymbol F (boldsymbol y) - boldsymbol F (boldsymbol x) ] = f (1) - f (0) = f ^ prime (ξ) = boldsymbol a · J boldsymbol F (boldsymbol x + ξ (boldsymbol y - boldsymbol x)) (boldsymbol y - boldsymbol x),其中 0 < ξ < 1。令 z = x + ξ(y - x),则 z ∈ overlinexy,(19.18) 得证。
但不含内积的向量值函数的中值定理是不成立的,下面是一个反例。
设 f(t) = (cos t, sin t),t ∈ [0, 2π],则 Jf(t) = (-sin t, cos t)。注意到 f(0) = f(2π),故不存在 θ ∈ (0, 1),使 f(2π) - f(0) = Jf(θ · 2π)(2π - 0)。事实上,Jf(t) 恒不为零向量。
不过我们仍然有如下的向量值函数的差的全局估计。
设凸区域 D ⊂ Rⁿ,f 在 D 上可微,a, b ∈ D,则 ∃ θ ∈ (0,1),使
| f (b) - f (a) | ≤slant | J f (a + θ (b - a)) | · | b - a |,这里 |·| 表示矩阵的模,即 |A|=max_(|x|=1)|Ax|。
证明
设
φ (t) = langle boldsymbol f (boldsymbol a + t (boldsymbol b - boldsymbol a)) - boldsymbol f (boldsymbol a), boldsymbol f (boldsymbol b) - boldsymbol f (boldsymbol a) rangle, t ∈ [ 0, 1 ].由一元函数的微分中值定理和复合函数求导得到 θ ∈ (0,1),使
| boldsymbol f (b) - boldsymbol f (a) | ^ 2 &= φ (1) - φ (0) &= langle J boldsymbol f (boldsymbol a + θ (boldsymbol b - boldsymbol a)) (boldsymbol b - boldsymbol a), boldsymbol f (boldsymbol b) - boldsymbol f (boldsymbol a) rangle再由 Cauchy-Schwarz 不等式有
| f (b) - f (a) | ^ 2 ≤slant | J f (a + θ (b - a)) | · | b - a | · | f (b) - f (a) |.所以得到
| f (b) - f (a) | ≤slant | J f (a + θ (b - a)) | · | b - a |.设 f 是凸区域 D ⊂ Rⁿ 上的可微映射,并且全导数 Jf(x) 处处为 0(取值为零向量的零变换),则 f 是 D 上的常值映射。
证明
取定点 x₀ ∈ D,任取另一点 x ∈ D,则由拟微分平均值定理有
| boldsymbol f (boldsymbol x) - boldsymbol f (boldsymbol x _ 0) | ≤slant | boldsymbol 0 | · | boldsymbol x - boldsymbol x _ 0 | = 0.由于 f(x)=f(x₀),∀ x∈ D, 所以 f 是常值映射。
可以把凸区域 D 的结论推广到一般的开区域 D。证明留给读者。
在第二十一章,我们还将介绍一些向量值函数中值定理的几何形式。
19.4.2 练习题
Section titled “19.4.2 练习题”- 设 f: D ⊂ Rⁿ → R^(m),x₀ ∈ D,且存在矩阵 A,使得在点 x₀ 的邻域上有
其中 o(±bx - ±bx₀) 表示当 |±bx - ±bx₀| → 0 时,模为高阶无穷小量的向量。证明:±bf 在点 ±bx₀ 处可微,且 J±bf(±bx₀) = ±bA。
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设 f: ℝ → ℝ³ 是可微的向量值函数,满足条件 |f(t)| = 1, ∀ t ∈ ℝ。证明 f'(t) · f(t) = 0,并对这个结果进行几何上的解释。
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设 u(x,y), v(x,y) 在区域 R² 上有一阶连续偏导数,且存在 C > 0,对任意两点 (xᵢ, yᵢ) ∈ R² (i = 1,2) 均成立
其中 uᵢ = u(xᵢ,yᵢ),vᵢ = v(xᵢ,yᵢ)(i = 1,2),则 ∀ (x,y)∈ R² 有
frac ∂ (u , v)∂ (x , y) ≠ 0.