17.4 多元微积分链式法则
摘要
(链式法则的应用其一)设
和 都是可微函数,我们把函数 定义为 ,然后令 表示乘法函数 ,然后可以注意到: 然后应用链式法则,我们有:
然后又有
,因此 ,从而这便给出了乘积法则: 类似地,我们可以给出和法则
与差法则 。 (链式法则的应用其二)设
是一个线性变换,由于 在每一点 处都连续可微且 (见习题17.4.1)。因此,对于任意的可微函数 , 也是可微的,并且可以通过链式法则给出 。这事实上相当于一元微积分里面法则 (其中 是常数)。 此外还有一个链式法则的特殊情形,设
是一个可微函数,并且对于每一个 , 都是可微函数。那么有: (注:尝试使用链式法则对函数
求导,其中 ,从而我们有 与 ,做矩阵乘法即可得到上面的结论)
命题
- (17.4.1 多元微积分链式法则)设
是 的子集, 是 的子集。设 是一个函数, 是另一个函数,并设 是 的内点。如果 在 处可微,并且 是 的内点,同时 在 处也是可微的,那么 在 处可微,而且还有等式: (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 ,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 是一个线性变换,证明: 在任意点 处都是连续可微的,并且有 。思考: 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:
因此我们有
在 处可微且全导数 。从而对任意的 有对变量 的偏导为 是一个常值函数(因此显然是连续的),对应地导数矩阵有:
17.4.2 设 是 的子集。证明:如果函数 在 的一个内点 处可微,那么 也在 处连续(提示:利用习题17.1.4)
设
在 处的全导数为 。 考虑任意的
,由于 在 处可微,因此存在 使得对任意的 满足 都有: 而根据习题17.1.4的结论,我们知道存在一个整数
使得 对所有的 都成立,因此根据度量的三角不等式我们有: 此时我们定义
,此时我们得到: 对任意的
,存在 使得对任意的 满足 有: 即
在 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
在 处可微,因此有: 也即对任意的
,存在 使得对任意的 满足 都有: 同理,由于
在 处可微,因此有: 也即对任意的
,存在 使得对任意的 满足 都有 。 由于
与 都是线性变换,因此根据习题17.1.4分别存在正实数 满足:
, 。 , 。 于是对任意的
,我们首先寻找三个大于零的常数:
: 根据
可微的结论,我们知道存在 使得对任意的 满足 有:
: 根据
可微的结论,我们知道存在 使得对任意的 满足 有:
: 根据
可微的结论,我们知道存在 使得对任意的 满足 有: 而习题17.4.2可知
在 连续的,因此存在 对任意 满足 都有 ,从而上面的结论可以引申为: 然后我们取
,于是对任意 满足 ,通过多次应用三角不等式我们可以计算有: 综上即有:
对任意的
,存在 使得对任意的 满足 有: 也即有
,再考虑到由习题17.1.2 与 的复合 也是一个线性变换,于是根据全可微的定义我们有 是在 处可微的,并且导数为 。
17.4.4 叙述并证明多元函数(即形如 的函数,其中 是 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 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
是 的子集, 是 的内点,并设 与 是函数。若有 均在 处可微且 ,则 也是在 处可微的,并且有: 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
为 与 为 ,然后计算导数矩阵有: 再注意到
,于是根据链式法则有: 于是结论得证。
17.4.5 设 是一个可微函数,并设 是函数 ,其中 表示 在通常的 度量下的长度。设 是一个实数,证明:如果 ,那么 在 就是可微的,并且有
(提示:利用定理17.4.1)
我们设
为 ,于是显然可以求得: 并且显然有只要
就有 在 处连续,因此根据命题17.3.8我们有 在 处可微且对任意的 有: 再注意到
,从而我们有: 于是结论得证。