二维函数可微条件-二维函数可微必要条件
看着题目上那个 $partial f/partial x$,大量人第一反应是求导,但这在考研要么专项训练里,往往不是最优解。真正的枪手,第一眼就会看那个点 $(x_0, y_0)$ 是不是一个“死胡同”。 大多数定义都在教科书里背烂过:全微分存有要偏导存有。但这在考场上,要是偏导存有了,还得再碰一下“死亡法则”。
要是偏导是存有的,那局部增量 $Delta z approx frac{partial z}{partial x}Delta x + frac{partial z}{partial y}Delta y$ 才成立。
要是偏导不存有,哪怕函数一直平滑得像水,局部增量也可能炸了。
比如 $f(x,y)$ 在(0,0)处极限都不存有,那偏导哪怕算出来都是 0,微分也废了。 这就引出了那个最让人头秃的“亮灯”难题。在数学竞赛或高数竞赛里,有一类题目,函数 $f$ 在点 P 的偏导数 $frac{partial f}{partial x}$ 和 $frac{partial f}{partial y}$ 都存有,就连都有个具体的数值,比如都等于 5。
这时候,你千万别去算极限,也别去背死公式。出于这就叫“局部行为不一致”。你的脑子告诉你是平滑的,但函数在 P 点的几何形状可能是一团乱麻。 举个例子,想象一个函数,在 $x=0$ 和 $y=0$ 附近,它和坐标轴切得死死的,斜率全是 5。你单看 $x$ 的变化,它仿佛没动;单看 $y$ 的变化,它也仿佛没动。
可是,要是你往对角线跑,要么在某个特定的角度去逼近,函数可能瞬间变成了一个垂直的墙,要么一个张开的漏斗。
这时候,偏导数存有的这个条件,就像是在说“这扇门没锁”,但没告诉你这扇门后面是不是个迷宫。
要是偏导数存有,不代表函数在 P 点连续,更不代表它在 P 点可微,就连更别提有全微分了。 这时候,就要切换到更高级的视角了。全微分存有的判据,实际上就一句话:局部线性化。想象一下,函数 $f(x,y)$ 在 P 点像个橡皮泥。全微分说,这个橡皮泥能够用一个光滑的平面 $alpha(x,y) = c + a(x-x_0) + b(y-y_0)$ 完美贴着,并且误差是无穷小量 $alpha(x,y) - f(x,y) = o(sqrt{Delta x^2 + Delta y^2})$。
要是偏导存有,橡皮泥的表面别看光滑,但它的皱褶可能比芝麻还密。你卡住这个皱褶,平面就贴不上了。 那么,如何判断这个皱褶呢?靠极限。计算极限 $L = lim_{Delta x to 0, Delta y to 0} frac{f(x_0+Delta x, y_0+Delta y) - f(x_0,y_0) - frac{partial f}{partial x}Delta x - frac{partial f}{partial y}Delta y}{sqrt{Delta x^2 + Delta y^2}}$。
要是这个极限等于 0,那就万事大吉,微分存有。
要是极限不等于 0,那就算偏导数存有,你的微分也是负资产的,就连可能你连偏导数都算错了。 为了保险起见,考场上的策略一般挺务实:别死磕极限。
要是题目给的偏导数挺整,比如都是整数,往往意味着能够直接用“偏导存有”这个条件,再结合“局部可微”这个隐含条件(出于全微分存有等于局部线性化,而局部线性化又等于 $o(Delta r)$ 的误差),进而默认微分存有。
要不就题目专门给了个反例数据,要么让你去求极限。 再讲个具体的数据例子,来感受一下这种“假大空”的严谨性。假设 $f(x,y) = begin{cases} frac{x^2y}{x^2+y^2} & x^2+y^2 ne 0 \ 0 & x^2+y^2 = 0 end{cases}$。
这个函数在原点挺不连续,偏导数本来都算出来是 0。
要是你看到偏导存有就高兴了,当作微分存有,那你就完了。在极限计算中,要是你沿着 $y=x$ 这条线逼近,要么 $y=mx$,你会发现函数值疯狂震荡。
这时候,偏导存有这个条件纯属无用功。 可是,要是你面对的是另一个函数,比如 $f(x,y) = xy$ 在点 $(0,0)$。偏导数 $f_x(0,0) = 0$, $f_y(0,0) = 0$。
这时候你彻底能够放心。出于对于 $xy$ 这种平滑函数,偏导存有不仅意味着局部可微,还意味着全微分存有。你能够直接写出 $mathrm{d}z = 0cdotDelta x + 0cdotDelta y = 0$。 故此,考场生存法则就两条:第一,看到偏导存有,先别急着求极限,先问问自己“这函数在 P 点是不是个死点”;第二,要是函数看起来像水一样光滑,且偏导数数值挺整,大约率就是全微分存有,直接写答案占个位置,不用浪费工夫在极限计算上。
毕竟,考试要的是速度,不是展示你对极限的热爱。
有时候,偏导数存有,才是判断微分存有的最大谎言,但在这种考试语境下,它往往只是一个“及格”的门槛,而不是“出色”的起点。 最终再啰嗦一句,全微分存有就是函数在某点附近能够用一个线性函数去近似。
这个线性函数的系数,就是偏导数。
要是这两个系数算出来,但函数在 P 点周围实际上是个烂泥坑,那系数再多也救不了你。
故此,做题时,要是看到偏导数存有,心里要打两个问号:第一个问函数是不是确实在 P 点平滑,第二个问这个平滑程度是不是足以支撑线性近似。一旦其中任何一个问号被白色的问号框住,你全微分存有的侥幸心理就要破产了,赶紧回头看看极限,要么干脆拉倒计算,直接默写一个结论。
毕竟,在遇到偏导数存有这种“假象”的时候,最稳妥的办法就是别碰极限,直接承认它是个陷阱。
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