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多元函數連續(xù)可導可微之間的復雜關系解讀

2023-03-13 00:52 作者:我愛計算機科學  | 我要投稿

首先是一元函數的連續(xù)性:

一元函數如果某一點的左右極限不相等,則該點不連續(xù):

然后是連續(xù)與可導的關系:

但是連續(xù)不一定可導:

圖1

上圖的函數是連續(xù)的,但由于左右導數不相等,所以不可導。

再看可導與可微的關系:

從上圖可以看出,只要某一點的導數存在,這一點的微分就存在,所以一元函數的可導性與可微性是一致的。

對于多元函數來說就比較復雜了。

圖2

上圖是多元函數連續(xù)可導可微之間的關系圖。圖中的可導是指偏導數存在。

上圖有四組相互之間的關系,下面逐一討論。

第一:函數連續(xù)與可導之間的關系。

函數連續(xù)的定義:

這組關系已經在《從導數的意義理解多元函數的偏導數存在性與連續(xù)性為何無關》一文中詳細討論過,也就是說,多元函數連續(xù)與可導之間互相無關。

關于這個結論得出來的原因,我們大概可以記住下面兩個圖就可以了:

圖3

由于多元函數趨近某個點的方向任意性,導致某個函數不連續(xù)但卻在這一點可導。

圖4

上面這個圖表示這個圓錐的頂點連續(xù),但在yoz的截面卻像圖1 一樣沒有導數,說明多元函數連續(xù)不一定可導。

第二:函數連續(xù)與可微之間的關系。

函數可微的定義:

考察函數連續(xù)與可微的關系:

上圖的意思很簡單,微分表達式表示的就是當xoy平面上兩點A,B無限趨近的時候,與之相對應的曲面上兩點的高度變化也趨近于0,而這個結論正好說明函數連續(xù)。

所以可微一定連續(xù)


由于全微分可以表示為

圖6

由上式可以看出,微分由偏導數表示,但函數連續(xù)與函數可導無關,所以

函數連續(xù)不一定可微

第三:函數可微與可導之間的關系。



圖7

上述證明過程還是說明由于二元函數方向性的存在,導致

函數可導不一定可微。

由于全微分一定可以由偏導數表示:

如果函數z=f(x,y)在點



所以函數在某點可微一定在這一點有偏導數,也就是可導。

函數可微一定可導。

第四:函數偏導數連續(xù)與可微之間的關系。

首先,由前述看出,函數可微只能推出函數在該點的偏導數存在,并不能推出該點的偏導數連續(xù),所以

函數可微不一定偏導數連續(xù)。




圖8


上述證明的過程中用到了偏導數的連續(xù)性,也就是說,如果偏導數不連續(xù),上面的證明就不成立,所以,函數可微一定要求函數的偏導數連續(xù)。

由此得到:

函數某點的偏導數連續(xù),則必然可微。

通過以上的證明過程,我們如果要比較牢固地把握圖2中多元函數連續(xù)可導可微與偏導數連續(xù)之間的相互關系,就需要理解并掌握圖1、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7和圖8表示的意思。

綜合以上:

1:對于一元函數來說,可導一定連續(xù),但連續(xù)不一定可導。而一元函數的可導與可微是統(tǒng)一的。

2:大部分是由于多元函數的方向性,導致了多元函數連續(xù)可導可微之間的復雜關系。


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