17.2 多元微积分中的导数
摘录
- (从
到 )在单变量微积分中,我们曾经给过一个函数 在 处微分的定义,即: 基于我们以前的学习经历,我们也不妨从这个定义出发,尝试定义一个多变量函数 (其中 )在 处的导数为: 但是在这里我们遇到了困难,我们很难去定义一个 维向量除以一个 维向量到底要怎么解释,因此我们需要转变思路,我们将 在 处的可微性看为 在 附近的“近似于线性性质”的描述,基于这个前提展开本节的内容。
定义
(17.2.2 可微性)设
是 的子集, 是一个函数, 是一个点,并设 是一个线性变换。如果有: 其中
是 的长度(在 度量下),即: 则我们称**
在 处是可微的**,并且导数为 。 (注:使用原始定义去计算导数太过麻烦(原书有个例子),之后会用更好的方式去计算;如同一元微积分一样,我们也可以将
在 处的导数记为 (这需要引理17.2.4去保证唯一性),于是 是满足 的线性变换(这也被称为牛顿近似,与命题10.1.7比较);有时候我们称 为 的全导数(为了和后面的偏导数与方向导数区分),并且全导数 同导数矩阵 有密切的联系,这个是下一节的内容了)
命题
(17.2.2 可微性描述的改写?)设
是 的子集, 是一个函数,且 且 。那么下面这两个命题是等价的: 在 处是可微的,并且 。 。
(注:这个等价关系相当于给出了近似式
,这个定义看起来与微分差别不大,但是最注意到的是这个命题给出了不使用 作为除数,这样就规避了向量“除法”的问题。然后从这个等价定义出发,我们去思考找出如何有一个对应的 作用于 维向量 ,使得 维向量 近似 。从这个角度出发,我们不难想到 应该有一个线性变换的形式) (17.2.4 导数的唯一性)设
是 的子集, 是一个函数, 是一个点,并设 和 都是线性变换。如果 在 处可微,并且导数为 的同时还有导数为 ,那么 。 (注:需要注意的是这里强调了
是一个内点,这个结论在边界点上面并不一定,书里给了个很极端的单点集的例子)
课后习题
17.2.1 证明引理17.2.1
我们知道
即有:对任意的 ,存在 使得对任意的 满足 都有: 而我们又注意到
处 是显然成立的,与 和 无关。因此我们可以得到等价关系有: 当且仅当对任意的 ,存在 使得对任意的 满足 都有 。然后利用牛顿逼近法(命题10.1.7)我们就可以进一步得到这等价于 在 处的导数为 。
17.2.2 证明引理17.2.4(提示:利用反证法。如果 ,那么存在一个向量 使得 ,并且这个向量一定不是零向量。(为什么?)然后再利用导数的定义,专门考察 (其中 时一个标量)时的情景来导出矛盾)
使用反证法,若
,那么至少存在一个 使得 。特别地,我们可以假定这个 不是零向量,这是因为: 由于
都是线性变换,若 是零向量,且对任意其它的 都有 。则我们任取 ,根据线性变换的性质有: 导出了矛盾,因此除了零向量以外至少存在一个
满足 。 于是回到可微的定义。根据命题14.1.5,我们特别考虑收敛于
的点列 (其中 , 是一个足够小的正常数满足点列 包含于 ,由于 是内点因此 是存在的),则由于 都是导数应当有极限: 也即:
再结合到
是一个确定的向量, 是一个常数,运用极限定律,我们可以化简为: 从而利用三角不等式,我们有:
这与
导出了矛盾,于是反证结束,反证假设不成立,只能有 。
17.2.3 设 是 的子集, 是一个函数, 是 的一个内点,并设 是 的分量函数(即 )。证明: 是在 处可微的当且仅当所有的分量函数 都是在 处可微的
注:本题来自第四版勘误表,详情请参考Analysis II:Errata。
分别证明充分必要性。
若
在 处可微,那么存在一个线性变换 满足:对任意的 ,存在 使得对任意的 满足 有: 若我们设
,则我们可以注意到对任意的 有: 一个需要注意的事实:
这个事实给出了上面的不等式,并且在下面也会用到。(太长了请原谅我写成列向量的转置)
并且还可以注意到
显然是一个线性映射,因此这表明了: 存在线性映射
,对任意的 ,存在 使得对任意的 满足 有: 即
在 处都是可微的。 反过来,若
均在 处可微,我们分别设它们在 处的全导数为 。于是我们令 ,显然 也是一个线性映射。于是对任意的 ,分别存在 使得对任意的 有: 此时取
,从而对任意的我们有: 综上即:
存在一个线性变换
,对任意的 ,存在 使得对任意的 满足 有: 即
在 处可微的。 综上,于是结论得证。