实分析

17.7 多元微积分的反函数定理 ​

摘录 ​

  1. (一元反函数定理的回顾)在定理10.4.2中,我们曾经阐述了一元微积分的反函数定理。该定理断定了只要函数f:R→R可微且可逆,并且f−1在f(x0)处连续,那么只要f′(x0)不等于零,就有f−1在f(x0)处可微,并且有:(f−1)′(f(x0))=1f′(x0)​ 实际上,只要f是连续可微的,那么即使f不可逆,我们也可以给出一些结论。如果f′(x0)不为零,那么f′(x0)要么是严格正的要么是严格负的。这意味着对于x0附近的x来说,f′(x)要么是严格正的,要么是严格负的。因此,在一个x0附近足够小的范围内,f就是可逆的(用专业术语来表述,就是**f在x0的附近局部可逆**)。而对于多元函数f:Rn→Rn的情况,也有一个类似的定理成立,但是由于全导数已经从“数”变成了“线性变换”,因此“f′(x0)≠0”这个条件要变换为一个相似的条件,即“f′(x0)是可逆的”。

命题 ​

  1. (17.7.1)设T:Rn→Rn是一个可逆的线性变换。那么逆变换T−1:Rn→Rn也是线性的。

  2. (17.7.2 反函数定理)设E是Rn的一个开子集,并设f:E→Rn是E上的一个连续可微函数。如果x0∈E使得线性变换f′(x0):Rn→Rn可逆,那么在E中存在一个包含点x0的开集U,并且在Rn中存在一个包含f(x0)的开集V,使得f是从U到V的双射。特别地,存在逆映射f−1:V→U。另外,这个逆映射在f(x0)处可微,并且

    (f−1)′(f(x0))=(f′(x0))−1

    (注:上一节的引理17.6.6再反函数定理的证明中用到了(为了寻找这个限制区域使得f双射),回顾原书中的证明你或许能更好地体会连续可微在反函数定理证明中的作用;反函数定理给出了一个判断f是否在x0处局部可逆的判别方法——即只需要计算它的导数f′(x0)是否可逆。考虑到线性变换与矩阵的联系(f′(x0)可逆当且仅当Df(x0)可逆),因此只需要判别导数矩阵Df(x0)是否可逆即可;如果f′(x0)存在但不可逆,那么反函数定理就不适用。在这种情形下f−1不可能在x0处存在,更不会在f(x0)处可微,这一点参阅原书证明过程)


课后习题 ​

17.7.1 设f:R→R的定义如下:当x≠0时,f(x):=x+x2sin⁡(1/x4);当x=0时,f(x):=0。证明:f是可微的并且f′(0)=1,但在任何一个包含0的开集上f都不是单调递增的(提示:证明不管x与0的距离有多近,f的导数都有可能变成负数。画出f的图也许会有助于思考) ​

我们先证明f是可微的且f′(0)=1。

对x≠0的时候,我们可以通过微分的运算法则直接得到f在x处可微且:

f′(x)=1+2xsin⁡(x−4)−4x−3cos⁡(x−4)

而对于0点的情况,我们可以直接依据定义求导有:

f′(0)=limx→0f(x)−f(0)x=limx→01+xsin⁡(1/x−4)=1

然后我们再来证明在任意一个包含0的开集上f都不是单调递增的。

我们已知三角函数满足:

∀k∈Z,sin⁡(2kπ)=0,cos⁡(2kπ)=1

然后我们使用反证法来证明这个结论。设存在一个包含0的开集U使得f在U上单调递增,那么结合命题10.3.1与内点的性质我们知道这表明存在一个δ>0使得对任意的x∈(−δ,δ)都有f′(x)≤0。此时由阿基米德性质(推论5.4.13)我们知道存在整数k≥1满足2kπ14δ>1⟺12kπ14<δ。然后我们考察f在12kπ14处的导数:

f′(12kπ14)=1+22kπ14sin⁡(16k4π)−32k3π34cos⁡(16k4π)=1−32k3π34<0

导出了矛盾,反证假设不成立,只能有在任意一个包含0的开集上f都不是单调递增的,结论得证。

综上,证明完毕。

17.7.2 证明引理17.7.1 ​

考虑任意的y,y′∈Rn与c∈R,我们设y=T(x)与y′=T(x′)(即x=T−1(y)与x′=T−1(y′))。要证明T−1是一个线性变换,则需要证明:

  1. T−1(y)+T−1(y′)=T−1(y+y′)。

    注意到由于T是一个线性变换,因此有:

    T(x)+T(x′)=T(x+x′)⟺y+y′=T(x+x′)

    由于T是可逆的(也即T是一个双射),因此这表明有T−1(y+y′)=x+x′,结合前设即有:

    T−1(y)+T−1(y′)=x+x′=T−1(y+y′)

    结论得证。

  2. T−1(cy)=cT−1(y)。

    注意到由于T是一个线性变换,因此有:

    T(cx)=cT(x)⟺cy=T(cx)

    由于T是可逆的(也即T是一个双射),因此这表明有T−1(cy)=cx,结合前设即有:

    T−1(cy)=cx=cT−1(y)

    结论得证。

综上,于是我们证明了T−1也是一个线性变换,引理17.7.1得证。

17.7.3 设f:Rn→Rn是一个连续可微函数。另外,对于任意的x∈Rn,f′(x)都是一个可逆的线性变换。证明:只要V是Rn中的开集,那么f(V)就是开集(提示:利用反函数定理) ​

考虑任意的y0∈f(V),根据函数象的定义我们知道存在x0∈V使得y0=f(x0)。此时运用反函数定理,我们知道E中存在一个包含x0的开集U与Rn中的一个包含y0的开集W使得f是从U到W的双射。注意到由于W是开集因此存在某个r>0使得B(y0,r)⊆W,然后由于f(U)=W有:

对任意的y∈B(y0,r),存在x∈U使得f(x)=y。由于U⊆V,因此x也是属于V的,因此也即有y∈f(V)。

从而即有B(y0,r)⊆f(V),换言之我们证明了对任意的y0∈f(V)都有y0是f(V)的内点,从而即f(V)是一个开集。

综上,结论得证。

17.7.4 沿用定理17.7.2的假设与符号。证明:通过必要地限制U,V的大小(当然要保证x0∈U与f(x0)∈V),可以使得对于所有的x∈U,导数映射f′(x)都是可逆的,并且逆映射f−1在V中的每一点处都是可微的,且有(f−1)′(f(x))=(f′(x))−1对所有的x∈U都成立。最后,证明:f−1是在V上连续可微的 ​

注:本题来自第三版勘误表,详情请参考Analysis II:Errata;为了证明这个结论,我们需要用到行列式的知识,关于行列式的内容可以参考任意一本线性代数教材。


  1. 首先我们来证明通过必要地限制U,V的大小可以使得对于所有的x∈U,导数映射f′(x)都是可逆的。

我们首先需要找一个足够合理的限制U,V大小的方法。注意到对任意的x∈E,f′(x)可逆当且仅当Df(x)可逆,而根据线性代数的知识我们知道Df(x)可逆当且仅当Df(x)的行列式不为零。而对于任意一个矩阵A=(aij)1≤i≤n;1≤j≤n,行列式det(A)的表达式为:

det(A)=|a11a12⋯a1na21a22⋯a2n⋮⋮⋱⋮an1an2⋯ann|=∑k1k2...kn∈C(−1)ka1k1ank2...ankn

其中C是序列1,2,...,n所有排列方式的全集,而k是序列k1k2...kn的逆序度。从而事实上det是一个n2元多项式:

det(a11,...,a1n,a21,...,ann):=∑k1k2...kn∈C(−1)ka1k1ank2...ankn

(定义参见习题13.2.7,每个元的次数不是1就是0的特殊情景)

从而根据习题13.2.7,我们知道det:Rn2→R是一个连续函数。然后定义函数g:E→Rn2有:

g(x1,x2,...,xn):=(\partf1\partx1(x),...,\partf1\partxn(x),\partf2\partx1(x),...,\partfn\partxn(x))

由于f是连续可微的因此g也是连续的(类似于习题13.2.1的证明),从而根据推论13.1.7我们知道复合函数det∘g也是连续的,这个函数为每一个x∈E给出了导数矩阵Df(x)的行列式值。由于定理17.7.2的假设中已经给出了f′(x0)可逆(即det(Df(x0))≠0)从而根据det∘g的连续性,我们知道存在一个U中的度量球B(x0,r),使得对任意的x∈B(x0,r)都有:

|det∘g(x)−det∘g(x0)|≤|det∘g(x0)|/2⟹|det(Df(x))|>0

也即det(Df(x))≠0⟺f′(x)可逆,此时我们进一步限制函数f的定义域为B(x0,r),值域为f(B(x0,r))(为了方便起见下文我们还是用U,V分别表示定义域和值域),从而对任意的x∈U,f′(x)都是可逆的。


  1. 然后我们来证明f−1在V中的每一点处都是可微的,且有(f−1)′(f(x))=(f′(x))−1对所有的x∈U都成立。

由于f已经是U到V的双射,因此对任意的y∈V都存在x∈U使得y=f(x)。从而运用反函数定理我们可以得到f−1是在y处可逆的(结论1中我们已经证明了f′(x)可逆)。并且有:

(f−1)′(y)=(f′(x))−1

也即结论得证。


  1. 最后我们证明f−1是在V上连续可微的。

我们已经完成了前面两个结论的证明,得到了对于所有的y∈V(我们设x∈U满足y=f(x))都有:

(f−1)′(y)=(f′(f−1(y)))−1

于是对于任意的1≤i≤n,我们可以得到偏导数:

\partf−1\partxi(y)=(f−1)′(y)ei=(f′(x))−1ei

然后考虑任意的ε>0,由于\partf\partxi是连续的,因此对于所有的


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实分析 17.6 压缩映射定理