17.5 二阶导数和克莱罗定理
定义
(17.5.1 二次连续可微性)设
是 的开子集,并设 是一个函数。如果偏导数 都存在并且都在 上连续,那么我们称 是连续可微的;如果 是连续可微的,并且偏导数 也都是连续可微的,那么我们称 是二次连续可微的。 (注:有时候,连续可微的函数被称为
函数,二次连续可微的函数被称为 函数)
命题
- (17.5.4 克莱罗定理)设
是 的开子集,并设 是 上的二次连续可微函数。那么对于所有的 和所有的 ,都有: (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 是一个函数,其定义为:当 时, ;当 时, 。证明: 是连续可微的,其二阶偏导数 和 都存在,但是它们在 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
是连续可微的。 直接去计算
关于 的偏导数(其中 ),我们有: 都是连续的,特别地,对
单独按照定义计算有: 另一方面我们又有:
(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
与 ) 于是
与 都是在 处连续的。综上即有 是连续可微的。 然后我们去证明
的二阶偏导数 和 都存在,但是它们在 处的取值不相等。 根据定义,我们直接计算有:
是不相等的。之所以不与克莱罗定理矛盾,这是因为在
,我们可以求导有: 在
处,我们可以考察从不同方向收敛于 的序列(以 与 为例),此时有: 是不相等的,因此
不是在 处连续的函数(同理 也是一样),于是不能应用克莱罗定理。