多元函数微分学
考点定位
- 大纲位置:高等数学多元函数微积分学的微分部分(数一、数二公共考点;方向导数与梯度仅数一)
- 常见题型:连续/偏导存在/可微/偏导连续概念关系链选择、用定义判别可微性、复合函数与隐函数求偏导(计算题主力)、无条件极值与条件极值(拉格朗日乘数法,解答题)、方向导数与梯度(仅数一,填空/小题)
- 考查频率:中高。求偏导的计算题几乎每年必有一道;概念关系链是选择题高频陷阱区
- 前置知识:一元函数微分学(可微、可导、连续的关系链是本章的"升级版")、函数、极限与连续
- 定位:本章概念上最大的坑是"一元的直觉全部失效"——一元里可导 ⟺ 可微 ⟹ 连续,二元里这些箭头全部断裂。先把关系链焊死,剩下的就是"剥洋葱"式的计算训练
核心讲解
二元函数的重极限(严格定义)
定义:设 f 在区域 D 上有定义,P0(x0,y0) 是 D 的内点或聚点。若存在常数 A,使得对任意 ε>0,存在 δ>0,当
0<(x−x0)2+(y−y0)2<δ
时,恒有 ∣f(x,y)−A∣<ε,则称 (x,y)→(x0,y0) 时 f 的重极限(二重极限)为 A,记作 (x,y)→(x0,y0)limf(x,y)=A。
与一元极限的本质区别:一元里 x→x0 只有左右两条路径;二元里 (x,y)→(x0,y0) 有无穷多条路径(直线、抛物线、折线……)。二重极限存在,要求沿所有路径极限都存在且相等。
由此得到两条实战规则:
- 证明极限不存在(高频):找两条不同路径,极限不相等即可。经典例子:
f(x,y)=x2+y2xy,f(0,0)=0
沿 y=0:极限为 0;沿 y=x:极限为 2x2x2=21。两路径不等,故重极限不存在(从而在原点不连续,尽管两个偏导都存在且为 0——这个反例后面还要反复用)。
- 证明极限存在 / 求极限:夹逼(把 ∣f−A∣ 用 x2+y2 控制住)、或极坐标换元 x=rcosθ,y=rsinθ 后证明估计式对 θ 一致成立。注意:极坐标换元后若极限依赖 θ,则极限不存在。
重极限与累次极限(二次极限)的关系:
limx→x0limy→y0f(x,y)与limy→y0limx→x0f(x,y)
是另外两个对象,它们都存在且相等不能推出重极限存在;反之重极限存在也不能保证累次极限存在。三者互不推出,考题常拿这点设置错误选项。
多元函数连续:(x,y)→(x0,y0)limf(x,y)=f(x0,y0)。多元初等函数在其定义区域内连续。
有界闭区域上多元连续函数的性质(与一元闭区间完全平行):有界、必取得最大值与最小值、介值定理成立。
偏导数
定义:固定 y=y0,把 f(x,y0) 当成一元函数求导:
fx(x0,y0)=limΔx→0Δxf(x0+Δx,y0)−f(x0,y0)
fy 同理。偏导数存在只是"沿两条坐标轴方向的导数存在",对其他方向的行为一无所知——这就是一元直觉失效的根源。
高阶偏导与混合偏导:当二阶混合偏导 fxy、fyx 在区域上连续时,fxy=fyx(此后所有计算默认此条件成立,函数足够光滑)。注意混合偏导相等是需要条件的,不是无条件成立。
全微分与可微性
定义:设 z=f(x,y) 在 (x0,y0) 的某邻域有定义。若全增量可写成
Δz=f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0)=AΔx+BΔy+o(ρ),ρ=Δx2+Δy2
其中 A,B 只与 (x0,y0) 有关而与 Δx,Δy 无关,则称 f 在 (x0,y0)可微,线性主部 AΔx+BΔy 称为全微分,记 dz=Adx+Bdy。
可微的必要条件(可微时必成立):
- f 在该点连续;
- 偏导数 fx(x0,y0)=A、fy(x0,y0)=B 都存在。
可微的充分条件:偏导数 fx,fy 在 (x0,y0) 的某邻域存在且在该点连续,则 f 在该点可微。(充分不必要:(x2+y2)sinx2+y21 在原点可微但偏导不连续。)
可微性的充要判别法(考点核心,判别题一律用它):
f 在 (x0,y0) 可微⟺limρ→0ρΔz−fx(x0,y0)Δx−fy(x0,y0)Δy=0
若把 Δx,Δy 换回 x,y(讨论原点时),即验证
lim(x,y)→(0,0)x2+y2f(x,y)−f(0,0)−fx(0,0)x−fy(0,0)y=0
关系链:连续、偏导存在、可微、偏导连续
全章最重要的一张图,选择题直接考:
图上每一个箭头都不可逆,且没有箭头相连的性质互不推出。必备反例表:
记忆口诀:偏导连续最强(最左边),可微是"分水岭",可微之左全是单向箭头,可微之右全被它推出。选择题遇到"连续是可微的什么条件"答"必要非充分"。
链式法则与全微分形式不变性
链式法则:设 z=f(u,v) 可微,u=u(x,y)、v=v(x,y) 偏导存在,则复合函数 z=f(u(x,y),v(x,y)) 的偏导存在,且
∂x∂z=∂u∂f⋅∂x∂u+∂v∂f⋅∂x∂v,∂y∂z=∂u∂f⋅∂y∂u+∂v∂f⋅∂y∂v
实操画变量树:z 在上,u,v 在中间层,x,y 在下,z 对某变量的偏导 = 沿每条路径"逐段相乘、路径相加"。这条法则自动处理 f 显含 x 的情形(如 z=f(x,y(x)),树上是 z→x 直连边)。
记号约定(考试书写标准):设 z=f(u,v),记 f1=∂u∂f(对第一个中间变量求偏导)、f2=∂v∂f;二阶记 f11,f12,f22。抽象函数求二阶偏导必须用这套记号,且默认 f12=f21(混合偏导连续)。
全微分形式不变性:无论 u,v 是自变量还是中间变量,都有
dz=∂u∂fdu+∂v∂fdv
用途:对复杂关系式直接两边取微分,一次同时解出 zx,zy,比求两次偏导更不易错(下面隐函数一节演示)。
隐函数求导
情形一:一个方程 F(x,y)=0 确定 y=y(x)。若 Fy=0,则
dxdy=−FyFx
情形二:一个方程 F(x,y,z)=0 确定 z=z(x,y)。若 Fz=0,则
∂x∂z=−FzFx,∂y∂z=−FzFy
求二阶偏导不要死背公式:先求出一阶,再对其两边继续求偏导(此时 zx,zy 仍是 x,y 的函数,别漏乘)。
情形三:方程组 {F(x,y,u,v)=0G(x,y,u,v)=0 确定 u=u(x,y),v=v(x,y)(仅数一)。当雅可比行列式
J=∂(u,v)∂(F,G)=FuGuFvGv=0
时可确定隐函数,求偏导的实操做法:每个方程两边对 x 求偏导(u,v 视为 x,y 的函数),得到关于 ux,vx 的线性方程组,解之。例如
{Fuux+Fvvx=−FxGuux+Gvvx=−Gx⟹ux=−J1FxGxFvGv
考场上推荐直接"求导 + 解方程组",不背克莱姆结论。
无条件极值
必要条件:f 在内点 (x0,y0) 取极值且偏导存在,则 fx=fy=0(驻点)。偏导不存在的点也可能是极值点(如 f=x2+y2 在原点取极小),找候选点时两类都要列。
充分条件(AC-B² 判别):设 (x0,y0) 为驻点,记
A=fxx(x0,y0),B=fxy(x0,y0),C=fyy(x0,y0),H=AC−B2
- H>0 且 A<0:极大值;H>0 且 A>0:极小值(A 与 C 同号时看 A 的符号)
- H<0:不是极值(鞍点)
- H=0:判别法失效,需用定义或其他手段
有界闭区域上的最值(应用题标准流程):
- 区域内部:解 fx=fy=0,求出所有驻点
- 边界上:把边界方程代入 f(或用下面的拉格朗日乘数法),求边界最值候选
- 比较所有候选点的函数值,最大者为最大值、最小者为最小值
条件极值:拉格朗日乘数法
目标 f(x,y,z),约束 φ(x,y,z)=0。构造拉格朗日函数
L(x,y,z,λ)=f(x,y,z)+λφ(x,y,z)
解方程组
⎩⎨⎧Lx=fx+λφx=0Ly=fy+λφy=0Lz=fz+λφz=0Lλ=φ=0
得到的 (x,y,z) 是条件极值的候选点。两个约束时加第二个乘子:L=f+λφ+μψ。
两点提醒:
- 拉格朗日方程组的解只是候选点,实际问题中通常由几何/物理背景("最值必存在且驻点唯一")判定是极大还是极小;抽象题需另行比较
- 解方程组的常用技巧:把三个 Lx,Ly,Lz=0 方程分别乘 x,y,z 后相加、或两两作比消去 λ,往往能快速得到 x,y,z 之间的关系
方向导数与梯度(仅数一)
方向导数定义:l 为非零向量,l0=(cosα,cosβ,cosγ) 为其单位向量,
∂l∂fP0=limt→0+tf(P0+tl0)−f(P0)
(注意 t→0+,方向导数是"单侧"导数。)
计算公式:若 f 在 P0 可微,则沿任意方向的方向导数都存在,且
∂l∂fP0=fxcosα+fycosβ+fzcosγ
可微是公式成立的充分条件;仅偏导存在时公式可能失效。
梯度:
gradf=∇f=(fx, fy, fz)
方向导数可写成内积 ∂l∂f=∇f⋅l0=∣∇f∣cos⟨∇f,l0⟩,于是:
- 沿梯度方向,方向导数最大,最大值为 ∣∇f∣(增长最快方向)
- 沿梯度反方向,方向导数最小,为 −∣∇f∣(下降最快方向,机器学习里梯度下降的理论根据)
- 沿与梯度垂直的方向,方向导数为 0(等值线切方向)
考题两种问法:给具体方向求方向导数(代入公式),或问"沿什么方向变化率最大/最大值是多少"(答梯度方向 / ∣∇f∣)。
例题
例题 1(模拟题):用定义判别可微性
设 f(x,y)=⎩⎨⎧x2+y2xy,0,(x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0),讨论 f 在原点处:连续性、偏导数存在性、可微性。
解析:逐项用定义验证(这类题严禁用一元直觉)。
- 连续性:x2+y2xy≤x2+y221(x2+y2)=2ρ→0=f(0,0),故连续。
- 偏导数:fx(0,0)=x→0limxf(x,0)−f(0,0)=limx0=0;同理 fy(0,0)=0,偏导都存在。
- 可微性:
limρ→0ρΔz−fx(0,0)Δx−fy(0,0)Δy=lim(x,y)→(0,0)x2+y2x2+y2xy−0−0=lim(x,y)→(0,0)x2+y2xy
沿 y=x 该比值为 2x2x2=21=0,极限不存在(更谈不上为 0),故不可微。
点评:此函数就是关系链反例表第三行——连续 + 偏导存在,但不可微。判别可微性只有一条路:验证 ρΔz−AΔx−BΔy→0。
例题 2(模拟题):抽象复合函数的二阶偏导
设 z=f(xy, x2+y2),其中 f 具有二阶连续偏导数,求 ∂x∂y∂2z。
解析:记 u=xy(第 1 变量),v=x2+y2(第 2 变量)。
一阶:
∂x∂z=yf1+2xf2
再对 y 求偏导(此时 f1,f2 仍是 (u,v) 的函数,要用链式法则,且 uy=x, vy=2y):
∂x∂y∂2z=f1+y(xf11+2yf12)+2x(xf21+2yf22)
利用 f12=f21 合并:
∂x∂y∂2z=f1+xyf11+2(x2+y2)f12+4xyf22
点评:最容易错的两处——对 y 求导时漏掉第一项 yf1 的 f1(乘积法则);把 f1,f2 当常数(它们仍是复合的)。
例题 3(模拟题):隐函数求偏导与化简
设 z=z(x,y) 由方程 ez=xyz 确定,求 ∂x∂z 与 dz。
解析:方法一(公式法):F=ez−xyz,Fx=−yz,Fz=ez−xy,故
∂x∂z=−FzFx=ez−xyyz
利用原方程 ez=xyz 化简分母:ez−xy=xy(z−1),所以
∂x∂z=xyz−xyyz=x(z−1)z
方法二(两边取微分,形式不变性):d(ez)=d(xyz),即 ezdz=yzdx+xzdy+xydz,整理
(ez−xy)dz=yzdx+xzdy⟹dz=ez−xyyzdx+ez−xyxzdy
两个偏导系数一次读出,与方法一一致。
点评:"利用原方程化简结果"是隐函数题的固定动作;两边取微分法一次得到全部一阶偏导,推荐作为主力方法。
例题 4(模拟题):无条件极值全流程
求 f(x,y)=x3−y3+3x2+3y2−9x 的极值。
解析:解驻点方程
fx=3x2+6x−9=3(x+3)(x−1)=0⟹x=1 或 x=−3
fy=−3y2+6y=−3y(y−2)=0⟹y=0 或 y=2
共 4 个驻点。A=fxx=6x+6,B=fxy=0,C=fyy=−6y+6。
点评:B=fxy 单独不为零时判别量是 AC−B2,不是 AC。四个驻点必须逐个判完,漏点是常见失分点。
例题 5(模拟题):条件极值(拉格朗日乘数法)
在球面 x2+y2+z2=1 上求 f=xyz 的最大值。
解析:约束 φ=x2+y2+z2−1=0,构造
L=xyz+λ(x2+y2+z2−1)
方程组:
⎩⎨⎧yz+2λx=0(1)xz+2λy=0(2)xy+2λz=0(3)x2+y2+z2=1(4)
(1)×x−(2)×y:2λ(x2−y2)=0;同理可得 x2=y2=z2。代入 (4):3x2=1,x2=y2=z2=31。
由对称性,f=xyz=±331,最大值 fmax=331=93(在三点 (31,31,31) 及其两个坐标全正、恰两个为负的变体处取得,即乘积符号为正的 4 个点)。
点评:三元乘积型约束最值,"方程两边乘变量再相减"是消 λ 的标准技巧。球面连续、f 连续,闭区域最值必存在,故候选点比较即可定最值。
例题 6(模拟题,仅数一):梯度与方向导数
设 u=x2+2y2+3z2,点 P(1,1,1)。求:(1)u 在 P 处沿方向 l=(1,1,1) 的方向导数;(2)u 在 P 处方向导数的最大值及取得最大值的方向。
解析:先求梯度:
∇u=(2x, 4y, 6z)(1,1,1)=(2,4,6)
(1)l 的单位向量 l0=31(1,1,1)=(31,31,31),故
∂l∂uP=∇u⋅l0=32+4+6=312=43
(2)方向导数最大值 =∣∇u∣=4+16+36=214,取得最大值的方向即梯度方向 2141(2,4,6)=141(1,2,3)。
点评:方向必须先单位化再代入公式——这是本考点第一大计算失分点。第(2)问答案要写"沿梯度方向",只写数值不写方向拿不到全分。
常见坑
- 拿一元结论硬套:一元"可导 ⟹ 连续"在二元失效(x2+y2xy 偏导存在但不连续);一元"可导 ⟺ 可微"也失效。二元里只有"可微"才是王者,能推出连续与偏导存在
- f12=f21 不是无条件的:混合偏导相等需要连续性;抽象函数题干写"具有二阶连续偏导数"正是为了这一点,看到这句才能合并同类项
- 判可微不走定义:任何"看起来偏导挺光滑"的直觉都不可靠,判别可微性必须验证 ρΔz−AΔx−BΔy→0
- 多元没有"洛必达":重极限计算只有夹逼、有界量乘无穷小、极坐标一致收敛这些手段;路径不同结果不同即判定不存在
- 隐函数求二阶偏导漏乘:zx=−Fx/Fz 两边再对 x 求导时,右边 zx(分母里的 z)仍是 x 的函数,必须继续用链式法则
- 拉格朗日乘数法只给候选点:忘记与边界、不可导点比较就下"最值"结论;应用题则要说明"由实际意义最值存在且驻点唯一"
- 方向导数公式的前提是可微(仅数一):题目只给"偏导存在"时不能直接套 fxcosα+fycosβ
- 区域最值题漏边界:内部驻点 + 边界候选 +(闭区域连续保证存在)三者比较,一个都不能少
自测
- 讨论 f(x,y)=x2+y2 在原点处的连续性与偏导数存在性。
- 求极限 (x,y)→(0,0)limx2+y2x2y,并说明理由。
- 设 z=f(2x−y, ysinx),f 具有二阶连续偏导数,求 ∂x∂y∂2z。
- 设 z=z(x,y) 由方程 lnz=x+y+z 确定,求 ∂x∂z 与 dz。
- 求 f(x,y)=x3−4x2+2xy−y2 的极值。
- (仅数一)设 u=ln(x2+y2+z2),点 P(1,1,1),求 u 在 P 处的梯度及沿 x 轴负方向的方向导数。
自测答案与简析
- 连续但偏导不存在。x2+y2→0 显然连续;fx(0,0)=x→0limx∣x∣−0,右极限 1、左极限 −1,不存在(考点:连续 ⇏ 偏导存在)。
- 极限为 0。x2+y2x2y≤x2+y221(x2+y2)∣y∣=2∣y∣→0,夹逼即得(考点:有界量 × 无穷小 / 夹逼;分母 x2+y2 不可用 x2 或 y2 单独放缩)。
- 记 u=2x−y,v=ysinx。zx=2f1+ycosxf2;再对 y 求导(uy=−1,vy=sinx):
∂x∂y∂2z=2(−f11+sinxf12)+cosxf2+ycosx(−f21+sinxf22)=−2f11+(2sinx−ycosx)f12+ysinxcosxf22+cosxf2
(考点:链式法则 + 乘积法则 + f12=f21 合并;最易漏 cosxf2 项)。
- 两边取微分:zdz=dx+dy+dz,即 (z1−1)dz=dx+dy,解得
∂x∂z=1−zz,dz=1−zzdx+1−zzdy
(考点:全微分形式不变性;注意 zx=zy 由对称性)。
- fx=3x2−8x+2y=0,fy=2x−2y=0⇒y=x,代入得 3x2−6x=0,驻点 (0,0)、(2,2)。A=6x−8,B=2,C=−2。在 (0,0):AC−B2=16−4=12>0,A=−8<0,极大值 f(0,0)=0;在 (2,2):AC−B2=−8−4=−12<0,非极值(考点:AC-B² 判别全流程)。
- ∇u=(x2+y2+z22x,x2+y2+z22y,x2+y2+z22z)(1,1,1)=(32,32,32)。沿 x 轴负方向 l0=(−1,0,0):∂l∂u=−32(考点:梯度计算 + 单位方向向量;负号表示沿该方向函数下降)。