1. 引言
在现已知的多元函数变量代换的方法与应用中,都是仅对复合函数一阶偏导数的代换方法进行了讨论,然而对高阶可微函数的高阶偏导数(如:二阶偏导数)的代换求解公式极少提及。但当我们处理实际问题时,往往会有很多这方面的理论需求,如:多元复合函数的高精度近似计算、多元函数求极值问题等。另外,在对一般复合函数偏导数的计算过程中,常以链式求导法则为主,但在许多具体的问题,例如:函数
,,
,
,
为物理域中的变量,而
为计算域中的变量,利用计算域中的结果来讨论自变量变化问题,如果使用链式法则进行计算,求解过程就会极为复杂。故而,为了解决类似的这样一类问题,我们可从隐函数的存在唯一性定理出发,结合 [1] [2] 中的方法,可得到本文的结果。
2. 预备知识
为后期得到我们的结论,我们先给出如下的隐函数存在唯一性定理和隐函数组定理。
引理2.1 [3] 若函数
满足下列条件:
1) F在以
为内点的某一区域
上连续;
2)
(通常称为初始条件);
3) F在D内存在连续的偏导数
;
4)
。
则
i) 存在点
的某领域
,在
上方程
唯一地决定了一个定义在某区间
上的隐函数
,使得当
时,
,且
,
。
ii)
在
上连续。
引理2.2 [3] 若
1)
与
在以点
为内点的区域
上连续;
2)
,
(初始条件);
3) 在V上F,G具有一阶连续偏导数;
4)
在点
不等于0。
i) 存在点
的某一(四维)邻域
,在
上,方程组
,唯一确定了定义在点
的某一(二维空间)邻域
上的两个二元隐函数
,使得
,且当
时
ii)
在
上连续;
iii)
在
上有一阶连续偏导,且
为了得到我们的结果,我们先导出如下定理2.1:
定理2.1 设函数
关于变量具有连续的一阶偏导数,记
(2.1)
若
,则存在唯一的函数
满足上述等式并且关于变量
具有连续的一阶偏导数
(2.2)
其中
矩阵J的行列式。
证明:假设存在两个不同的坐标系,中间变量为
,自变量为
,两个坐标系存在以下的对应关系:
(2.3)
进一步,令
(2.4)
则由引理2.2可知,(2.4)所对应的Jacobi行列式不为0,即
亦即
(2.5)
进而对(2.3)式两边分别关于
求偏导,则有
(2.6)
(2.7)
(2.8)
(2.9)
结合(2.6)~(2.9),易得
(2.10)
(2.11)
于是有
(2.12)
(2.13)
由(2.12)和(2.13)可知(2.2)成立,证毕。
3. 多元复合函数的一阶、二阶偏导数
遍及本节,我们有下述假设:
假设
,且中间变量与自变量之间满足如下关系:
进而对上式两边分别关于求偏导,由定理2.1,得到:
(3.1)
其中
(3.2)
接下来,我们首先导出多元复合函数一阶偏导数定理。
定理3.1 设
,函数
关于变量
具有连续的一阶偏导数,记:
(3.3)
若,则
(3.4)
证明:依据链式求导法则,有
(3.5)
(3.6)
进一步,通过(3.1)式,可以得到
(3.7)
(3.8)
结合(3.7)~(3.8),易得(3.4),证毕。
进一步,我们导出多元复合函数的二阶偏导数定理。
由文献 [1] 中矩阵求多元抽象复合函数二阶偏导数的方法,可以知道
(3.9)
(3.10)
进而我们可以得到如下关于多元复合函数求二阶偏导数的定理。
定理3.2 设
,且
均有连续的二阶偏导数。若记:
(3.11)
且满足
,则
(3.12)
(3.13)
证明:对(2.6)和(2.7)两边分别关于
求二阶偏导,易得
联立上面4个式子,可得
(3.14)
记
(3.15)
为求
,依据分块矩阵表示方法,A可写为:
(3.16)
其中
是
阶单位矩阵,J是(3.3)中所定义的Jacobi矩阵。
进一步,结合(3.1)式,我们有
(3.17)
则可得到
(3.18)
结合(3.14),易得
(3.19)
(3.19)左边可化为
(3.20)
同理,对(2.8)和(2.9)两边分别关于
求偏导,可得
(3.21)
证毕。
致谢
作者衷心感谢张江卫师兄的帮助,感谢湖南省研究生科研创新项目资助(编号CX20200891)。