根据偏导函数求原函数
告诉你\(f(x,y)\)满足二阶偏导、一阶偏导等于一个函数,求原函数,
例 设\(f(x,y)\)满足\(\frac{\partial^2 x}{\partial y^2}=2\),\(f'_y(x,0)=x\),则\(f(x,y)=\)______
解 \(\because \frac{\partial^2 x}{\partial y^2}=2, \therefore f'_y=2y+\phi(x)\)
\(\because f'(x,0)=x,\therefore \phi(x)=x,\therefore f'_y=2y+x\)
\(\because f(x,0)=1,\therefore f(x,y)=y^2+xy+1\) 通过一个二阶偏导,还原成一阶偏导加上另一个变量的函数的形式,一层层往上推,利用所给的条件,便可以得出原函数.
计算多元函数偏导(在不知道函数具体情况下)
例 求 \(z=f(x,xy,x+y^2)\)的 \(\frac{\partial z}{\partial x}\)
解 \(\frac{\partial z}{\partial x}=f'_1+yf'_2+f'_3\) 贯彻一个思想,要求x的偏导,而\(f(x,xy,x+y^2)\)有三个位置(记为1,2,3),就是对于每个存在x的位置求导,再分别乘以该位置的东西关于x的偏导. 例如:\(z=f(a(x), b(x,y), c(y))\),\(\frac{\partial z}{\partial x}=\frac{\partial a(x)}{\partial x}f'_1+\frac{\partial b(x,y)}{\partial x}f'_2\),因为第三个位置和x没有关系,所以不求它. 如果求二阶偏导,对每个一阶偏导的地方都要再求一次每个位置的二阶偏导,而 \(f''_{12}=f''_{21}\)
已知\(f(x,y)\),求dz
例 设 \(z=z(x,y)\),\(\int_1^{x+y+z}{e^{-t^2}dt}=x^2+y^2+z\)确定,求dz
解 方法一:首先对x、y分别求偏导 \(\frac{\partial z}{\partial x}\)和\(\frac{\partial z}{\partial y}\),而 \(dz=\frac{\partial z}{\partial x}dx+\frac{\partial z}{\partial y}dy\) 方法二:如果式子比较简单,直接对函数求关于x、y的微分。
判断多元函数在某点是否可偏导
例 设 \(f(x,y)=\sin\sqrt{x^2+y^2}\),则 \(f(x,y)\)在\((0,0)\)处对x,y是否可偏导?
解 判断对一个变量是否可偏导,关键在于令另一个变量不变的同时,这个变量趋近于该点是极限是否存在。 \(\because \lim_{x\to0} \frac{f(x,0)-f(0,0)}{x}=\lim \frac{\sin \left|x\right| }{x}=\lim \frac{\left| x \right| }{x}\)不存在,所以对x不可偏导。 \(\because \lim_{y\to0}\frac{f(0,y)-f(0,0)}{y}=\lim \frac{\sin y^2}{y}=lim_{y\to0} \frac{y^2}{y}=0\),所以对y可偏导。
计算函数的梯度
例 \(f(x,y)=\arctan{\frac{x}{y} }\)在(0,1)处的梯度为____
解 grad\(\{x,y,z\}=\{\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y},\frac{\partial f}{\partial z}\}\) 对每个分量求偏导即可,前面的系数就是梯度的分量。
计算函数u沿着函数g的梯度方向的方向导数
例 求函数 \(u=\sqrt{x^2+y^2+z^2}\)沿 \(\frac{1}{2}x^2+yz\)的梯度方向的方向导数。
解 1. 计算函数的梯度,易得l={x,z,y}
梯度的方向余弦为:\(\cos \alpha=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2} }\),\(\cos \beta=\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2+z^2} }\),\(\cos \gamma=\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2+z^2} }\)
计算u的三个偏导数:\(\frac{\partial u}{\partial x}=\frac{x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2} }\),\(\frac{\partial u}{\partial y}=\frac{y}{\sqrt{x^2+y^2+z^2} }\),\(\frac{\partial u}{\partial z}=\frac{z}{\sqrt{x^2+y^2+z^2} }\)
故方向导数为 \(\frac{\partial u}{\partial l}=\frac{\partial u}{\partial x}\cos\alpha+\frac{\partial u}{\partial y}\cos\beta+\frac{\partial u}{\partial z}\cos\gamma=\frac{x^2+2yz}{x^2+y^2+z^2}\)
方向导数相当于梯度的方向余弦与相应方向的偏导数相乘相加。
求函数间断点
函数间断点可能发生在如下情况: 1. 分母可能为0(包括指数的分母),\(\sin x\)或\(\cos x\)等三角函数在分母时可能为0的\(k\pi或 \frac{k\pi}{2}\)
2. \(\tan x\)在\(x=\frac{\pi}{2}+k\pi\)的时候
3. 一些隐藏的间断点,例如需要因式分解产生可能等于0的子式,三角函数恰好和子式可以同时为0(\(\frac{x+2}{\sin\pi x}=\frac{x+2}{\sin(\pi(x+2))}\sim \frac{x+2}{\pi(x+2)}\sim \frac{1}{\pi}\)), 方向导数相当于梯度的方向余弦与相应方向的偏导数相乘相加。
方向导数的最大值
方向导数的最大值相当于梯度的模。
\[\sqrt{(\frac{\partial f}{\partial x})^2+(\frac{\partial f}{\partial y})^2+(\frac{\partial f}{\partial z})^2}\]
梯度中可能含有\(x,y,z\),将坐标点代入算出即可。
全微分
\[P(x,y)dx+Q(x,y)dy\]
当题目跟你说要全微分的时候,意思是:
\[\frac{\partial P}{\partial x}=\frac{\partial Q}{\partial y}\]
\(\because P(x,y)=\frac{\partial u}{\partial x},\ Q(x,y)=\frac{\partial u}{\partial y}\therefore \frac{\partial ^2 u}{\partial x \partial y}=\frac{\partial ^2 u}{\partial y \partial x}\)
根据全微分求原函数
因为全微分的\(P(x,y)\)和\(Q(x,y)\)是偏导,因此可以还原出原函数的\(x\)、\(y\)部分。
\(u(x,y) = \int P(x,y) dx+\Phi(x,y)\)
\(u(x,y)'_y = \Phi'(x,y)\)
求函数在区域上的最值
首先考虑边界内:对函数的\(x\)、\(y\)分别求偏导,让他们的偏导等于0,求出驻点,计算函数值。
再考虑边界上:利用拉格朗日乘数法:
设原函数:
\[u(x,y)=x^2-y^2+3\]
区域为:
\[x^2+4y^2\le 4\]
令辅助函数为:
\[F(x,y)=x^2-y^2+3=\lambda(x^2+4y^2-4)\]
分别求对\(x\)、\(y\)、\(\lambda\)的偏导,令它们等于0,分别求出多对\(x\)、\(y\),计算他们的函数值。
综上,选择最大的为最大值,最小的为最小值。
求多元函数的极值
设函数为:
\[z=f(x,y)=x^4+y^4-4xy+5\]
1. 令函数对\(x\)、\(y\)的偏导为0,求出驻点。
2. 令\(A=\frac{\partial ^2z}{\partial x^2},B=\frac{\partial ^2z}{\partial x \partial y},C=\frac{\partial ^2z}{\partial y^2}\),将一个(或多个)驻点代入分别计算。
3. 若\(AC-B^2\gt 0\)存在极值,同时若\(A\gt0\)为极小值,若\(A\lt0\)为极大值。
证明\(f(x,y)\)仅为\(\theta\)的函数
若\(u=f(x,y)\)
令\(\begin{cases} x=r\cos\theta\\ y=r\sin\theta \end{cases}\)
若要证明仅为\(\theta\)的函数而和 \(r\) 无关,则对 \(r\) 求偏导,若 \(\frac{\partial u}{\partial r}=0\),则\(u\)仅为\(\theta\)的函数。
证哪个有关,则证其他的偏导为0。
二元函数在区域内的最大最小值
先计算边界线上的最大最小值。
计算对于x,y的偏导,找出驻点。
令\(A=\frac{\partial ^2 z}{\partial x^2},B=\frac{\partial ^2 z}{\partial x \partial y},C=\frac{\partial ^2 z}{\partial y^2}\),计算\(AC-B^2\),若大于0则为极值点,同时若A小于0则为极大值点,若A大于0则为极小值点。
将函数极值点与边界极值点相比较,找出最大值和最小值点。