实分析

17.5 二阶导数和克莱罗定理

定义

  1. (17.5.1 二次连续可微性)ERn的开子集,并设f:ERm是一个函数。如果偏导数\partf\partx1,...,\partf\partxn都存在并且都在E上连续,那么我们称f连续可微的;如果f是连续可微的,并且偏导数\partf\partx1,...,\partf\partxn也都是连续可微的,那么我们称f二次连续可微的。

    (注:有时候,连续可微的函数被称为C1函数,二次连续可微的函数被称为C2函数)


命题

  1. (17.5.4 克莱罗定理)ERn的开子集,并设f:ERmE上的二次连续可微函数。那么对于所有的1i,jn和所有的x0E,都有:\part\partxj\partf\partxi(x0)=\part\partxi\partf\partxj(x0)(注:必须要有“二阶导数连续”的前提才能成立克莱罗定理,详见习题17.5.1与原书证明)

课后习题

17.5.1 设f:R2R是一个函数,其定义为:当(x,y)(0,0)时,f(x,y):=xy3x2+y2;当(x,y)=(0,0)时,f(x,y)=0。证明:f是连续可微的,其二阶偏导数\part\party\partf\partx\part\partx\partf\party都存在,但是它们在(0,0)处的取值不相等。解释这为什么不与克莱罗定理矛盾

我们首先证明f是连续可微的。

直接去计算f关于x,y的偏导数(其中(x,y)(0,0)),我们有:

\partf\partx(x,y)=y3(y2x2)(x2+y2)2\partf\party(x,y)=xy2(3x2+y2)(x2+y2)2

都是连续的,特别地,对(0,0)单独按照定义计算有:

\partf\partx(0,0)=limt00(t2+02)t=0\partf\party(0,0)=limt00(02+t2)t=0

另一方面我们又有:

lim(x,y)(0,0)\partf\partx(x,y)=0lim(x,y)(0,0)\partf\party(x,y)=0

(转换为序列的极限问题后使用比较原理即可,参考的对比对象是±y(\partxf)±3x(\partyf)

于是\partf\party\partf\partx都是在(0,0)处连续的。综上即有f是连续可微的。


然后我们去证明f的二阶偏导数\part\party\partf\partx\part\partx\partf\party都存在,但是它们在(0,0)处的取值不相等。

根据定义,我们直接计算有:

\part\party\partf\partx(0,0)=limt0t3(t202)(02+t2)2t=1\part\partx\partf\party(0,0)=limt0t02(3t2+02)(t2+02)2t=0

是不相等的。之所以不与克莱罗定理矛盾,这是因为在(x,y)(0,0),我们可以求导有:

\part\party\partf\partx(x,y)=3x4y2+6x2y4+y6(x2+y2)3\part\partx\partf\party(x,y)=3x4y2+6x2y4+y6(x2+y2)3

(0,0)处,我们可以考察从不同方向收敛于(0,0)的序列(以((0,1/n))n=1((1/n,0))n=1为例),此时有:

limn\part\party\partf\partx(0,1/n)=(1/n)6((1/n)2)3=1limn\part\party\partf\partx(1/n,0)=0((1/n)2)3=0

是不相等的,因此\part\party\partf\partx不是在(0,0)处连续的函数(同理\part\partx\partf\party也是一样),于是不能应用克莱罗定理。