对多元复合函数偏导数求解的研究
Research on Solving Partial Derivatives of Multivariate Compound Functions
DOI: 10.12677/AAM.2020.99183, PDF, HTML, XML, 下载: 799  浏览: 975  科研立项经费支持
作者: 刘 迪, 张江卫:长沙理工大学数学与统计学院,湖南 长沙
关键词: 多元复合函数隐函数链式法则偏导数Multivariate Compound Functions Implicit Function The Chain Rule Partial Derivatives
摘要: 本文主要讨论多元复合函数的偏导数问题,主要对中间变量是隐函数的情况进行讨论。文章主线是从隐函数的存在性问题出发,并结合“链式求导法则、矩阵求多元抽象复合函数二阶偏导数”等技巧和方法,获得了求解多元复合函数的一、二阶偏导数的理论性定理。
Abstract: In this article, we mainly discuss the partial derivatives of multivariate compound functions, and mainly discuss the case that the intermediate variables are implicit functions. The main line of this article starts from the existence of implicit function, and combines the techniques and methods of “chain derivative rule, using matrix to find the second partial derivative of multiple abstract composite function”. The theoretical theorems for solving the first and second partial derivatives of multivariate compound functions are obtained.
文章引用:刘迪, 张江卫. 对多元复合函数偏导数求解的研究[J]. 应用数学进展, 2020, 9(9): 1556-1564. https://doi.org/10.12677/AAM.2020.99183

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 ξ = ξ ( z , r ) z = ( u , v ) r = ( u , v ) z , r 为物理域中的变量,而 ξ , η 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 F ( x , y ) 满足下列条件:

1) F在以 P 0 ( x 0 , y 0 ) 为内点的某一区域 D R 2 上连续;

2) F ( x 0 , y 0 ) = 0 (通常称为初始条件);

3) F在D内存在连续的偏导数 F y ( x , y )

4) F y ( x 0 , y 0 ) 0

i) 存在点 p 0 的某领域 U ( P 0 ) D ,在 U ( P 0 ) 上方程 F ( x , y ) = 0 唯一地决定了一个定义在某区间 [ x 0 α , x 0 + α ] 上的隐函数 y = f ( x ) ,使得当 x [ x 0 α , x 0 + α ] 时, ( x , f ( x ) ) U ( P 0 ) ,且 F ( x , f ( x ) ) 0 f ( x 0 ) = y 0

ii) y = f ( x ) [ x 0 α , x 0 + α ] 上连续。

引理2.2 [3] 若

1) F ( x , y , u , v ) G ( x , y , u , v ) 在以点 P 0 ( x 0 , y 0 , u 0 , v 0 ) 为内点的区域 V R 4 上连续;

2) F ( x 0 , y 0 , u 0 , v 0 ) = 0 G ( x 0 , y 0 , u 0 , v 0 ) = 0 (初始条件);

3) 在V上F,G具有一阶连续偏导数;

4) J = ( F , G ) ( u , v ) 在点 P 0 不等于0。

i) 存在点 P 0 的某一(四维)邻域 U ( P 0 ) V ,在 U ( P 0 ) V 上,方程组 { F ( x , y , u , v ) = 0 G ( x , y , u , v ) = 0 ,唯一确定了定义在点 Q 0 ( x 0 , y 0 ) 的某一(二维空间)邻域 U ( Q 0 ) 上的两个二元隐函数 u = f ( x , y ) , v = g ( x , y ) ,使得 u 0 = f ( x 0 , y 0 ) , v 0 = g ( x 0 , y 0 ) ,且当 ( x , y ) U ( Q 0 )

( x , y , f ( x , y ) , g ( x , y ) ) U ( P 0 ) , F ( x , y , f ( x , y ) , g ( x , y ) ) 0 , G ( x , y , f ( x , y ) , g ( x , y ) ) 0 ;

ii) f ( x , y ) , g ( x , y ) U ( Q 0 ) 上连续;

iii) f ( x , y ) , g ( x , y ) U ( Q 0 ) 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 ξ = ξ ( z , r ) , η = η ( z , r ) 关于变量具有连续的一阶偏导数,记

J = ( ξ z ξ r η z η r ) (2.1)

| J | 0 ,则存在唯一的函数 z = z ( ξ , η ) , r = r ( ξ , η ) 满足上述等式并且关于变量 ξ , η 具有连续的一阶偏导数

( z ξ z η r ξ r η ) = 1 | J | ( η r η z ξ r ξ z ) (2.2)

其中 | J | 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 ( z , r ) ,自变量为 ( ξ , η ) ,两个坐标系存在以下的对应关系:

{ ξ = ξ ( z , r ) η = η ( z , r ) (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

( F , G ) ( ξ , η ) = | F ξ F η G ξ G η | 0

亦即

( F , G ) ( z , r ) = | F z F r G z G r | = | ξ z ξ r η z η r | 0 (2.5)

进而对(2.3)式两边分别关于 ξ , η 求偏导,则有

ξ z z ξ + ξ r r ξ = 1 (2.6)

(2.7)

η z z ξ + η r r ξ = 0 (2.8)

η z z η + η r r η = 1 (2.9)

结合(2.6)~(2.9),易得

( ξ z ξ r η z η r ) ( z ξ r ξ ) = J ( z ξ r ξ ) = ( 1 0 ) (2.10)

( ξ z ξ r η z η r ) ( z η r η ) = J ( z η r η ) = ( 1 0 ) (2.11)

于是有

( z ξ r ξ ) = J 1 ( 1 0 ) = 1 | J | ( η r ξ r ) (2.12)

( z ξ r ξ ) = J 1 ( 1 0 ) = 1 | J | ( η z ξ z ) (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 ω = f ( z , r ) ,且中间变量与自变量之间满足如下关系:

{ ξ = ξ ( z , r ) η = η ( z , r )

进而对上式两边分别关于求偏导,由定理2.1,得到:

{ z ξ = 1 | J | η r r ξ = 1 | J | z η η z = 1 | J | r ξ η r = 1 | J | z ξ (3.1)

其中

J = ( z ξ r ξ z η r η ) , | J | = z ξ r η r ξ z η (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 w = f ( u , v ) ,函数 x = x ( u , v ) , y = y ( u , v ) 关于变量 u , v 具有连续的一阶偏导数,记:

J = ( x u x v y u y v ) (3.3)

,则

( w x w y ) T = 1 | J | ( f u f v ) J 1 (3.4)

证明:依据链式求导法则,有

w x = f u u x + f v v x = ( f u f v ) ( u x v x ) (3.5)

w y = f u u y + f v v y = ( f u f v ) ( u y v y ) (3.6)

进一步,通过(3.1)式,可以得到

w x = 1 | J | ( f u f v ) ( y v y u ) (3.7)

w y = 1 | J | ( f u f v ) ( x v x u ) (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

( 2 z 2 ) = ( ξ z η z ) [ 2 ξ 2 2 ξ η 2 η ξ 2 η 2 ] ( ξ z η z ) + ( ξ η ) ( 2 ξ z 2 2 η z 2 ) (3.9)

( 2 ξ 2 ) = ( z ξ γ ξ ) [ 2 z 2 2 z γ 2 z γ 2 γ 2 ] ( z ξ γ ξ ) + ( z γ ) ( 2 z ξ 2 2 γ ξ 2 ) (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 ω = f ( z , r ) , ξ = ξ ( z , r ) , η = η ( z , r ) ,且 f , ξ , η 均有连续的二阶偏导数。若记:

B = ( ( r η ) 2 r ξ r η r ξ r η ( r ξ ) 2 z η r η z ξ r η r ξ z η z ξ r ξ z η r η z η r ξ z ξ r η z ξ r ξ ( z η ) 2 z ξ z η z ξ z η ( z ξ ) 2 ) (3.11)

且满足 | J | 0 ,则

(3.12)

(3.13)

证明:对(2.6)和(2.7)两边分别关于 ξ , η 求二阶偏导,易得

ξ z 2 z ξ 2 + z ξ [ 2 ξ z 2 z ξ + 2 ξ z r r ξ ] + ξ r 2 r ξ 2 + r ξ [ 2 ξ r z z ξ + 2 ξ r 2 r ξ ] = 0

ξ z 2 z ξ η + z ξ [ 2 ξ z 2 z η + 2 ξ z r r η ] + ξ r 2 r ξ η + r ξ [ 2 ξ r z z η + 2 ξ r 2 r η ] = 0

ξ z 2 z η ξ + z η [ 2 ξ z 2 z ξ + 2 ξ z r r ξ ] + ξ r 2 r ξ η + r η [ 2 ξ r z z ξ + 2 ξ r 2 r ξ ] = 0

联立上面4个式子,可得

( ( z ξ ) 2 z ξ r ξ r ξ z ξ ( r ξ ) 2 z ξ z η z ξ r η r ξ z η r ξ r η z η z ξ z η r ξ r η z ξ r η r ξ ( z η ) 2 z η r η r η z η ( r η ) 2 ) ( 2 ξ z 2 2 ξ z r 2 ξ r z 2 ξ r 2 ) = ξ z ( 2 z ξ 2 2 z ξ η 2 z η ξ 2 z η 2 ) ξ r ( 2 r ξ 2 2 r ξ η 2 r η ξ 2 r η 2 ) (3.14)

A = ( ( z ξ ) 2 z ξ r ξ r ξ z ξ ( r ξ ) 2 z ξ z η z ξ r η r ξ z η r ξ r η z η z ξ z η r ξ r η z ξ r η r ξ ( z η ) 2 z η r η r η z η ( r η ) 2 ) (3.15)

为求 A 1 ,依据分块矩阵表示方法,A可写为:

A = ( ( z ξ ) 2 z ξ r ξ r ξ z ξ ( r ξ ) 2 z ξ z η z ξ r η r ξ z η r ξ r η z η z ξ z η r ξ r η z ξ r η r ξ ( z η ) 2 z η r η r η z η ( r η ) 2 ) = ( z ξ J r ξ J z η J r η J ) = ( z ξ E 2 r ξ E 2 z η E 2 r η E 2 ) ( J 0 0 J ) (3.16)

其中 E 2 2 × 2 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

A 1 = 1 | J | ( J 1 0 0 J 1 ) ( r η E 2 r ξ E 2 z η E 2 z ξ E 2 ) , J 1 = 1 | J | ( r η r ξ z η z ξ ) (3.17)

则可得到

A 1 = 1 | J | 2 ( ( r η ) 2 r ξ r η r ξ r η ( r ξ ) 2 z η r η z ξ r η r ξ z η z ξ r ξ z η r η z η r ξ z ξ r η z ξ r ξ ( z η ) 2 z ξ z η z ξ z η ( z ξ ) 2 ) (3.18)

结合(3.14),易得

( 2 ξ z 2 2 ξ z r 2 ξ r z 2 ξ r 2 ) = ξ z A 1 ( 2 z ξ 2 2 z ξ η 2 z η ξ 2 z η 2 ) ξ r A 1 ( 2 r ξ 2 2 r ξ η 2 r η ξ 2 r η 2 ) (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 ξ , η 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)。

参考文献

[1] 用矩阵求多元抽象复合函数二阶偏导数的方法[J]. 塔里木农垦大学学报, 2002, 14(4): 52-54.
[2] 林美琳. 多元函数微分的变量代换[J]. 赤峰学院学报(自然科学版), 2017, 33(17): 1-2.
[3] 华东师范大学数学系. 数学分析[M]. 北京: 高等教育出版社, 2010: 92-176.