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。
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
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在点,及曲面在点,或笼统地称为曲面在点的 偏微分 (Partial differential)。
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。
该空间曲线的微分,即曲面在点对的偏微分,也在平面上,如下图所示。
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,
要求出在点的,自然需要先求出在点的。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,则该极限称为函数在点,记作:
或若如下极限存在,则该极限称为函数在点,记作:
上述两个极限也笼统地称为函数在点的 偏导数 (Partial derivative)。
所以在点的就是上述定义中的在点对的偏导数,即:
而在点的就是上述定义中的在点对的偏导数(如果想求出在点对的偏微分,就会用到这个偏导数),即:
有了偏导数后,结合上,就可得平面曲线在点的为,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)。
若在空间中的点建立坐标系,如下图所示。
将变换到坐标系下,空间曲线在点的微分,也就是曲面在点对的偏微分,这是在平面(即平面)上的直线,如下图所示。
所以,空间曲线在点的微分,也就是曲面点对的偏微分,在坐标系下的方程为:
同理,空间曲线在点的微分,也就是曲面点对的偏微分,在坐标系下的方程为: