偏微分和偏导数

本节会完成两件事情,找到某曲面上方便计算的两条曲线,以及求出这两条曲线的微分。

1 偏微分

先找到某曲面上方便计算的两条曲线。设某曲面的函数为,为了寻找该曲面在点的微分,出于简化计算的目的,一般会借助位于该曲面上,且

  • 点、平行于轴的空间曲线(马上会解释该空间曲线位于平面上,该平面与轴不相交,故说该平面与轴平行;还有一个值得注意的特点是,该平面垂直于面。为方便解说,从而我们说该曲线平行于轴),如下图中的红色曲线
  • 点、平行于轴的空间曲线(类似的,该空间曲线位于平面上,该平面与轴平行。为方便解说,从而我们说该曲线平行于轴),如下图中的蓝色曲线

位于曲面上、过点、平行于轴、轴的两条空间曲线

这两根曲线在点的,即下图中的两根黑色直线,显然是不重合的。在数学中,它们分别被称为曲面,及曲面,或笼统地称为曲面点的 偏微分 (Partial differential)。

这两条空间曲线的微分,也称为偏微分

2 偏导数

接着的任务就是求出上述的偏微分,这需要把这两条空间曲线用代数表示出来。以其中位于曲面上、过点、平行于轴的空间曲线为例,该空间曲线可以看作平面与曲面的交线,如下图所示。根据,所以该空间曲线的方程为

的交线,就是过点、平行于轴的空间曲线

该空间曲线的微分,即曲面点对的偏微分,也在平面上,如下图所示。

点对的偏微分,是平面上的空间直线

上述空间曲线及其微分都在平面上,所以两者都可转到面上去处理,如下图所示,

  • 对于上述空间曲线,其方程为,将代入就得到了该空间曲线在面上的函数,如此就将该空间曲线转为了面上的平面曲线
  • 而上述空间曲线的微分,转为了平面曲线点的

上述空间曲线可看作面上的平面曲线

要求出点的,自然需要先求出点的。根据,所以有:

在多元函数的微积分中,上述导数也称为偏导数。其具体定义如下:

若如下极限存在,则该极限称为函数,记作:

或若如下极限存在,则该极限称为函数,记作:

上述两个极限也笼统地称为函数点的 偏导数 (Partial derivative)。

所以点的就是上述定义中的点对的偏导数,即:

点的就是上述定义中的点对的偏导数(如果想求出点对的偏微分,就会用到这个偏导数),即:

3 偏微分的求解

有了偏导数后,结合上,就可得平面曲线点的,这是在点建立的坐标系中过原点的直线,如下图所示(还有不清楚的,可以查看《马同学图解微积分(上)》中的的讲解)

点建立坐标系,为该坐标系中的直线

若在空间中的点建立坐标系,如下图所示。

点建立坐标系

变换到坐标系下,空间曲线点的微分,也就是曲面点对的偏微分,这是在平面(即平面)上的直线,如下图所示。

点对的偏微分,是平面上的直线

所以,空间曲线点的微分,也就是曲面点对的偏微分,在坐标系下的方程为:

同理,空间曲线点的微分,也就是曲面点对的偏微分,在坐标系下的方程为:

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