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從導(dǎo)數(shù)的意義理解多元函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)存在性與連續(xù)性為何無關(guān)

2023-03-13 00:57 作者:我愛計(jì)算機(jī)科學(xué)  | 我要投稿

導(dǎo)數(shù)定義:

由于 x 可以代表定義域內(nèi)的任意一點(diǎn)x0,上圖說明,任意一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值都是一個(gè)極限值,而不是一個(gè)函數(shù)值。因?yàn)閷?dǎo)數(shù)值代表斜率,斜率是需要兩個(gè)以上的點(diǎn)才能求出的。

我們知道,對(duì)于一元函數(shù),可導(dǎo)一定連續(xù):

但連續(xù)不一定可導(dǎo):

圖1

這里有一點(diǎn)要注意,當(dāng)我們求某一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值f'(x0)的時(shí)候,只有當(dāng)導(dǎo)函數(shù)f'(x)在x0連續(xù)的時(shí)候,才可以直接把x0代入f'(x)求得f'(x0)的值,否則就要像上圖一樣通過定義來求左導(dǎo)數(shù)和右導(dǎo)數(shù)。比如f'(x)=x^2這樣的導(dǎo)函數(shù)是可以直接代入求取x0這一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值f'(x0)的,這是因?yàn)閷?duì)于這個(gè)導(dǎo)數(shù)函數(shù)來說,任一點(diǎn)x0的極限值就等于它在這一點(diǎn)的函數(shù)值。

再看多元函數(shù)的情形。

討論函數(shù)

在(0,0)點(diǎn)處的連續(xù)性:


由于二元函數(shù)任意一個(gè)點(diǎn)的鄰域是一個(gè)區(qū)域,因此就存在著向這個(gè)點(diǎn)趨近時(shí)候的方向問題。正是由于方向性的存在,導(dǎo)致了上述函數(shù)在(0,0)點(diǎn)的不連續(xù)。

但這個(gè)函數(shù)在(0,0)點(diǎn)的偏導(dǎo)數(shù)存在。

對(duì)于上圖中函數(shù)在(0,0)點(diǎn)的偏導(dǎo)數(shù)求法問題,同樣注意:

對(duì)于非(0,0)點(diǎn)的偏導(dǎo)數(shù),可以通過導(dǎo)函數(shù)來求:

對(duì)x偏導(dǎo)數(shù):

Z'x= [y*(x^2+y^2) -xy*2x] /(x^2+y^2)^2

=(y^3 -x^2 y)/(x^2+y^2)^2

對(duì)y偏導(dǎo)數(shù):

Z'y=[x*(x^2+y^2) -xy*2y] /(x^2+y^2)^2

=(x^3 -xy^2)/(x^2+y^2)^2

但對(duì)于(0,0)點(diǎn)的偏導(dǎo)數(shù),則必須通過定義來求:

這是因?yàn)楹瘮?shù)在(0,0)點(diǎn)沒有函數(shù)表達(dá)式,只有一個(gè)數(shù)值,而對(duì)于一個(gè)孤立的點(diǎn)是沒辦法求導(dǎo)數(shù)的。當(dāng)采用定義方式以后,出現(xiàn)了

由于delta x不等于0,因此可以使用函數(shù)表達(dá)式

而對(duì)于極限

之所以等于0 ,是因?yàn)槲覀兇_定了分子為0,而分母delta x只是無限趨近于0,永遠(yuǎn)也不會(huì)等于0,所以結(jié)果是0,上述極限并不是什么0/0型的極限,這也是極限思想的精髓所在。

上面的敘述說明對(duì)于多元函數(shù)來說,在某一點(diǎn)的偏導(dǎo)數(shù)存在,這一點(diǎn)的函數(shù)值不一定連續(xù)。

那如果函數(shù)在某點(diǎn)連續(xù),是不是偏導(dǎo)數(shù)一定存在呢?

上圖中的圓錐是一個(gè)倒立的圓錐:

當(dāng)x=0時(shí),由YOZ平面截取的曲線 z=|y| 就是和圖1一樣,因此在(0,0)點(diǎn)是沒有導(dǎo)數(shù)的。

也可以通過求偏導(dǎo)函數(shù)的方法解決:

上面的這個(gè)偏導(dǎo)數(shù)函數(shù)在(0,0)點(diǎn)也沒有定義,所以在(0,0)點(diǎn)沒有導(dǎo)數(shù)值,不可導(dǎo)。

同樣

也不可導(dǎo)。

上面的倒立錐面在(0,0)點(diǎn)是有定義的,但對(duì)于偏導(dǎo)函數(shù)來說,在(0,0)點(diǎn)是沒有定義的,所以不可導(dǎo)。

因此,對(duì)于多元函數(shù)來說,函數(shù)連續(xù)不一定偏導(dǎo)數(shù)存在

簡單概括一下:

1:某一點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)值是一個(gè)極限值。

2:對(duì)于多元函數(shù)來說,某一點(diǎn)的偏導(dǎo)數(shù)存在與否和這一點(diǎn)的函數(shù)值是否連續(xù)無關(guān)。


從導(dǎo)數(shù)的意義理解多元函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)存在性與連續(xù)性為何無關(guān)的評(píng)論 (共 條)

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