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多元微积分

多元微积分是研究多元函数的微积分!理解多元微积分,能帮助我们解决多维空间的问题。

什么是多元微积分?

多元微积分(Multivariable Calculus)是研究多元函数(多个自变量的函数)的极限、导数、积分的数学分支。

简单理解

多元微积分就像"多维空间的微积分":

  • 研究多个变量的函数
  • 推广一元微积分的概念
  • 解决多维空间的问题

例子

例子f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 + y^2

  • 这是一个二元函数
  • 输入:(x,y)(x, y)(二维点)
  • 输出:f(x,y)f(x, y)(一个数)

多元函数的极限

定义

如果当 (x,y)(a,b)(x, y) \to (a, b) 时,f(x,y)Lf(x, y) \to L,则:

lim(x,y)(a,b)f(x,y)=L\lim_{(x, y) \to (a, b)} f(x, y) = L

注意

多元函数的极限比一元函数复杂,因为 (x,y)(x, y) 可以从任意方向接近 (a,b)(a, b)

例子

例子lim(x,y)(0,0)xyx2+y2\lim_{(x, y) \to (0, 0)} \frac{xy}{x^2 + y^2}

这个极限不存在,因为从不同方向接近 (0,0)(0, 0) 得到不同的值。

偏导数

定义

偏导数(Partial Derivative)是多元函数对某个变量的导数,其他变量视为常数。

函数 f(x,y)f(x, y)xx 的偏导数:

fx=limh0f(x+h,y)f(x,y)h\frac{\partial f}{\partial x} = \lim_{h \to 0} \frac{f(x + h, y) - f(x, y)}{h}

函数 f(x,y)f(x, y)yy 的偏导数:

fy=limh0f(x,y+h)f(x,y)h\frac{\partial f}{\partial y} = \lim_{h \to 0} \frac{f(x, y + h) - f(x, y)}{h}

表示方法

偏导数有多种表示方法:

  • fx\frac{\partial f}{\partial x}(莱布尼茨记号)
  • fxf_x(下标记号)
  • DxfD_x f(算子记号)

例子

例子f(x,y)=x2+3xy+y2f(x, y) = x^2 + 3xy + y^2

  • fx=2x+3y\frac{\partial f}{\partial x} = 2x + 3y(把 yy 看作常数)
  • fy=3x+2y\frac{\partial f}{\partial y} = 3x + 2y(把 xx 看作常数)

全微分

定义

全微分(Total Differential)是多元函数在某个点的线性近似。

如果 z=f(x,y)z = f(x, y),则全微分:

dz=fxdx+fydydz = \frac{\partial f}{\partial x} dx + \frac{\partial f}{\partial y} dy

几何意义

全微分是函数在某个点的切平面的增量。

链式法则(多元)

公式

如果 z=f(x,y)z = f(x, y),且 x=g(t)x = g(t)y=h(t)y = h(t),则:

dzdt=fxdxdt+fydydt\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial x} \frac{dx}{dt} + \frac{\partial f}{\partial y} \frac{dy}{dt}

例子

例子z=x2+y2z = x^2 + y^2x=tx = ty=t2y = t^2

  • zx=2x=2t\frac{\partial z}{\partial x} = 2x = 2t
  • zy=2y=2t2\frac{\partial z}{\partial y} = 2y = 2t^2
  • dxdt=1\frac{dx}{dt} = 1
  • dydt=2t\frac{dy}{dt} = 2t
  • dzdt=2t×1+2t2×2t=2t+4t3\frac{dz}{dt} = 2t \times 1 + 2t^2 \times 2t = 2t + 4t^3

方向导数

定义

方向导数(Directional Derivative)是函数在某个方向上的变化率。

函数 f(x,y)f(x, y) 在点 (a,b)(a, b) 沿单位向量 u=(u1,u2)\vec{u} = (u_1, u_2) 的方向导数:

Duf(a,b)=fx(a,b)u1+fy(a,b)u2D_{\vec{u}} f(a, b) = \frac{\partial f}{\partial x}(a, b) u_1 + \frac{\partial f}{\partial y}(a, b) u_2

梯度

梯度(Gradient)是一个向量,其分量是函数的偏导数:

f=(fx,fy)\nabla f = \left(\frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y}\right)

方向导数可以用梯度表示:

Duf=fuD_{\vec{u}} f = \nabla f \cdot \vec{u}

多元函数的极值

临界点

临界点是偏导数都为 0 的点。

判别法

对于函数 f(x,y)f(x, y),设:

D=fxxfyy(fxy)2D = f_{xx} f_{yy} - (f_{xy})^2

在临界点 (a,b)(a, b) 处:

  • 如果 D>0D > 0fxx>0f_{xx} > 0,则 ff(a,b)(a, b) 处有极小值
  • 如果 D>0D > 0fxx<0f_{xx} < 0,则 ff(a,b)(a, b) 处有极大值
  • 如果 D<0D < 0,则 ff(a,b)(a, b) 处有鞍点
  • 如果 D=0D = 0,则无法判断

重积分

二重积分

二重积分(Double Integral)是二元函数在区域上的积分。

Df(x,y)dA=Df(x,y)dxdy\iint_D f(x, y) dA = \iint_D f(x, y) dx dy

几何意义

二重积分表示函数 f(x,y)f(x, y) 在区域 DD 上的体积(如果 f(x,y)0f(x, y) \ge 0)。

计算方法

累次积分

Df(x,y)dA=ab[g1(x)g2(x)f(x,y)dy]dx\iint_D f(x, y) dA = \int_a^b \left[\int_{g_1(x)}^{g_2(x)} f(x, y) dy\right] dx

Df(x,y)dA=cd[h1(y)h2(y)f(x,y)dx]dy\iint_D f(x, y) dA = \int_c^d \left[\int_{h_1(y)}^{h_2(y)} f(x, y) dx\right] dy

例子D(x+y)dA\iint_D (x + y) dA,其中 DD0x10 \le x \le 10y20 \le y \le 2

D(x+y)dA=01[02(x+y)dy]dx\iint_D (x + y) dA = \int_0^1 \left[\int_0^2 (x + y) dy\right] dx

=01[xy+y22]02dx=01(2x+2)dx=[x2+2x]01=3= \int_0^1 \left[xy + \frac{y^2}{2}\right]_0^2 dx = \int_0^1 (2x + 2) dx = \left[x^2 + 2x\right]_0^1 = 3

三重积分

三重积分(Triple Integral)是三元函数在区域上的积分。

Vf(x,y,z)dV=Vf(x,y,z)dxdydz\iiint_V f(x, y, z) dV = \iiint_V f(x, y, z) dx dy dz

生活中的应用

物理

  • 场论:描述电场、磁场
  • 🔬 流体力学:描述流体的运动

工程

  • 🏗️ 结构分析:分析多维结构
  • ⚙️ 优化设计:多维优化问题

科学

  • 🔬 多变量系统:分析多变量系统
  • 📊 数据分析:多维数据分析

常见错误

错误 1:偏导数和全导数混淆

  • 偏导数:对某个变量求导,其他变量视为常数
  • 全导数:所有变量都变化时的导数

错误 2:积分顺序错误

计算重积分时,要注意积分的顺序。

错误 3:区域确定错误

要正确确定积分区域。

小练习

  1. f(x,y)=x2+2xy+y2f(x, y) = x^2 + 2xy + y^2 的偏导数 fx\frac{\partial f}{\partial x}fy\frac{\partial f}{\partial y}
  2. 计算 DxydA\iint_D xy dA,其中 DD0x20 \le x \le 20y10 \le y \le 1
  3. 求函数 f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 + y^2 在点 (1,1)(1, 1) 处的梯度
  4. 应用题:一个矩形的长和宽分别是 xxyy,面积是 xyxy,如果 xxyy 都变化,如何用全微分近似面积的变化?

💡 小贴士:多元微积分是研究多元函数的微积分。记住:偏导数是把其他变量看作常数,重积分是计算多维区域的累积值。掌握多元微积分,你就能解决多维空间的问题!