实分析

17.4 多元微积分链式法则

摘要

  1. (链式法则的应用其一)f:RnRg:RnR都是可微函数,我们把函数h:RnR2定义为h(x):=(f(x),g(x)),然后令k:R2R表示乘法函数k(a,b):=ab,然后可以注意到:

    Dh(x0)=(f(x0)g(x0))Dk(a,b)=(b,a)

    然后应用链式法则,我们有:

    D(kh)(x0)=(f(x0),g(x0))(f(x0)g(x0))=g(x0)f(x0)+f(x0)g(x0)

    然后又有kh=fg,因此D(fg)=(fg),从而这便给出了乘积法则

    (fg)=gf+fg

    类似地,我们可以给出和法则(f+g)=f+g差法则(fg)=fg

  2. (链式法则的应用其二)T:RnRm是一个线性变换,由于T在每一点x处都连续可微且T(x)=T(见习题17.4.1)。因此,对于任意的可微函数f:ERnTf:ERm也是可微的,并且可以通过链式法则给出(Tf)(x)=T(f(x0))。这事实上相当于一元微积分里面法则(cf)=c(f)(其中c是常数)。

    ​ 此外还有一个链式法则的特殊情形,设f:RnRm是一个可微函数,并且对于每一个j=1,...,nxj:RR都是可微函数。那么有:

    ddtf(x1(t),...,xn(t))=j=1nxj(t)\part\parttf(x1(t),...,xn(t))

    (注:尝试使用链式法则对函数fπ求导,其中π(t):=(x1(t),...,xn(t)),从而我们有Dπ=(xi)1inTDf(x0)=(\partf\partx1(x0)T,\partf\partx2(x0)T,,\partf\partxn(x0)T),做矩阵乘法即可得到上面的结论)


命题

  1. (17.4.1 多元微积分链式法则)ERn的子集,FRm的子集。设f:EF是一个函数,g:FRp是另一个函数,并设x0E的内点。如果fx0处可微,并且f(x0)F的内点,同时gf(x0)处也是可微的,那么gf:ERpx0处可微,而且还有等式:(gf)(x0)=g(f(x0))f(x0)(注:应当将这个同一元微积分中的链式法则(定理10.1.15)做对比;作为链式法则和引理17.1.16的一个推论,我们有D(gf)(x0)=Dg(f(x0))Df(x0),也就是说,我们可以用矩阵和矩阵乘法来描述链式法则)

课后习题

17.4.1 设T:RnRm是一个线性变换,证明:T在任意点x处都是连续可微的,并且有T(x)=T。思考:DT是什么(连续可微的定义见定义17.5.1

显然根据可微的定义与线性变换的性质我们有:

limyxTyTxT(yx)yx=limyx0yx=0

因此我们有Tx处可微且全导数T(x)=T。从而对任意的1in有对变量xi的偏导为\partT\partxi(x)=T(x)ei=Tei是一个常值函数(因此显然是连续的),对应地导数矩阵有:

DT(x)=((\partT\partx1(x))T,...,(\partT\partxn(x))T)=((Te1)T,...,(Ten)T)
17.4.2 设ERn的子集。证明:如果函数f:ERmE的一个内点x0处可微,那么f也在x0处连续(提示:利用习题17.1.4

fx0处的全导数为L

考虑任意的ε>0,由于fx0处可微,因此存在σ>0使得对任意的xE满足0<xx0<σ都有:

[f(x)f(x0)]L(xx0)<εxx0

而根据习题17.1.4的结论,我们知道存在一个整数M使得LyMy对所有的yRn都成立,因此根据度量的三角不等式我们有:

f(x)f(x0)[f(x)f(x0)]L(xx0)+L(xx0)<(ε+M)xx0

此时我们定义δ:=min(σ,εε+M),此时我们得到:

对任意的ε>0,存在δ>0使得对任意的xE满足0<xx0<δ有:

f(x)f(x0)<(ε+M)xx0εε+M(ε+M)=ε

fx0处连续。

综上,结论得证。

17.4.3 证明定理17.4.1(提示:回顾一元微积分中链式法则(定理10.1.15)证明的全过程。一个可能有效的方式是利用由序列描述的极限定义(参见命题14.1.5(b)),同时利用习题17.1.4

由于fx0处可微,因此有:

limxx0;xE\{x0}f(x)(f(x0)+f(x0)(xx0))xx0=0

也即对任意的ε>0,存在δ>0使得对任意的xE\{x0}满足xx0<δ都有:

同理,由于gf(x0)处可微,因此有:

limyf(x0);yF\{f(x0)}g(y)[gf(x0)+g(f(x0))(yf(x0))]yf(x0)=0

也即对任意的ε>0,存在δ>0使得对任意的xF\{f(x0)}满足yf(x0)<δ都有[g(y)gf(x0)]g(f(x0))(yf(x0))<εyf(x0)

由于f(x0)g(f(x0))都是线性变换,因此根据习题17.1.4分别存在正实数M,N满足:

  • xRnf(x0)xMx
  • yRmg(f(x0))yNy

于是对任意的ε>0,我们首先寻找三个大于零的常数:

  • δ1

根据f可微的结论,我们知道存在δ1>0使得对任意的xE\{x0}满足xx0<δ1有:

[f(x)f(x0)]f(x0)(xx0)<ε1+N+Mxx0
  • δ2

根据f可微的结论,我们知道存在δ2>0使得对任意的xE\{x0}满足xx0<δ2有:

[f(x)f(x0)]f(x0)(xx0)<xx0
  • δ3

根据g可微的结论,我们知道存在σ>0使得对任意的yF\{f(x0)}满足yf(x0)<σ有:

[g(y)gf(x0)]g(f(x0))(yf(x0))<ε1+N+Myf(x0)

而习题17.4.2可知fx0连续的,因此存在δ3>0对任意xE\{x0}满足xx0<δ3都有f(x)f(x0)<σ,从而上面的结论可以引申为:

[gf(x)gf(x0)]g(f(x0))(f(x)f(x0))<ε1+N+Mf(x)f(x0)

然后我们取δ:=min{δ1,δ2,δ3},于是对任意xE\{x0}满足xx0<δ,通过多次应用三角不等式我们可以计算有:

[gf(x)gf(x0)]g(f(x0))f(x0)(xx0)[gf(x)gf(x0)]g(f(x0))[f(x)f(x0)]+[g(f(x0))[f(x)f(x0)]g(f(x0))f(x0)(xx0)<ε1+N+Mf(x)f(x0)+N[f(x)f(x0)]f(x0)(xx0)<ε1+N+M([f(x)f(x0)]f(x0)(xx0)+f(x0)(xx0))+εN1+N+Mxx0<ε1+N+M(xx0+Mxx0)+εN1+N+Mxx0=ε(1+N+M)1+N+Mxx0=εxx0

综上即有:

对任意的ε>0,存在δ>0使得对任意的xE\{x0}满足xx0<δ有:

gf(x)(gf(x0)+g(f(x0))f(x0)(xx0))xx0<ε

也即有limxx0;xE\{x0}gf(x)(gf(x0)+g(f(x0))f(x0)(xx0))xx0=0,再考虑到由习题17.1.2g(f(x0))f(x0)的复合g(f(x0))f(x0)也是一个线性变换,于是根据全可微的定义我们有gf是在x0处可微的,并且导数为g(f(x0))f(x0)

17.4.4 叙述并证明多元函数(即形如f:ER的函数,其中ERn的子集)的商法则(即叙述一个法则,使得该法则能够给出一个有关商函数f/g的公式)。将你给出的答案同定理10.1.13(h)对比,注意务必要明晰你的假设前提都是什么

我们可以给出下面的商法则:设ERn的子集,x0E的内点,并设f:ERg:ER是函数。若有f,g均在x0处可微且g(x0)0,则f/g也是在x0处可微的,并且有:

(f/g)(x0)=g(x0)f(x0)f(x0)g(x0)g(x0)2

下面我们证明这个结论。


类似本节摘录1中的内容,我们定义函数h:RnR2h(x):=(f(x),g(x))k:R2Rk(a,b):=a/b,然后计算导数矩阵有:

Dh(x0)=(f(x0)g(x0))Dk(a,b)=(1b,ab2)

再注意到kh=f/g,于是根据链式法则有:

D(f/g)(x0)=Dk(f(x0),g(x0))Dh(x0)=(1g(x0),f(x0)g(x0)2)(f(x0)g(x0))=g(x0)f(x0)f(x0)g(x0)g(x0)2

于是结论得证。

17.4.5 设x:RR3是一个可微函数,并设r:RR是函数r(t):=x(t),其中x表示x在通常的l2度量下的长度。设t0是一个实数,证明:如果r(t0)0,那么rt0就是可微的,并且有
r(t0):=x(t0)x(t0)r(t0)
(提示:利用定理17.4.1)

我们设g:R3Rg(xi)1i3:=(xi)1i3=x12+x22+x32,于是显然可以求得:

1i3,\partg\partxi(xi)1i3=xix12+x22+x32

并且显然有只要x=(xi)1i30就有\partg\partxix处连续,因此根据命题17.3.8我们有fx处可微且对任意的v=(vi)1i3有:

f(x)(v)=i=13xivix12+x22+x32=xvx

再注意到r=gx,从而我们有:

r(t0)=g(x(t0))x(t0)=x(t0)x(t0)x(t0)=x(t0)x(t0)r(t0)

于是结论得证。


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实分析 14.1 函数的极限值

实分析 17.1 线性变换

实分析 17.5 二阶导数和克莱尔定理