微分和导数
1 偏微分
在一元函數中的微分就是函數的切線:
其實這個空間曲線是 這個空間平面與 這個空間曲面的交線:我們就把這個切線稱為 對于 的偏微分。理解了這個,就可以舉一反三,所有 ( 為常數)的平面與 的交線都是滿足剛才說的特點:
這些交線上的點的切線都是 關于 的偏微分。
當然,如果 與 ( 為常數)得到的交線,這些交線的切線就是 關于 的偏微分。
總結,偏微分就是:
- 固定 ,變換 得到的就是 關于 的偏微分
- 固定 ,變換 得到的就是 關于 的偏微分
2 偏導數
偏微分理解了偏導數就好理解了,就是偏微分的斜率,現在你應該可以明白為什么我們在求 對于 的偏導數的時候,我們把 當作常數來看待了吧。
只是有一點需要說明,在三維空間中角度可以有不同的定義,計算斜率的時候我們是看下面這個 角:
總結,偏導數就是偏微分的斜率。
3 全微分
其實,不光是 或者 這樣的平面可以和 相交得到交線,所有和 平面垂直的平面都相交得到交線,這些交線都會有切線(微分)。
這個平面相交得到的交線:
這個平面也可以:
如果這些切線都存在,并且這些切線(無數條)還都在同一個平面上(平面不是曲面),那么得到的這個平面就是全微分(也叫做切平面,或者說切空間):
總結,全微分就是:
- 360°微分都存在
- 并且這些微分要共面,得到的就是全微分
4 全微分與偏導數、偏微分的關系
根據全微分的定義,如果全微分存在,那么偏導數、偏微分一定存在。
但是反過來不一定成立,即偏導數、偏微分存在,全微分不一定存在。因為偏導、偏微分只是 或者 方向的導數、微分,而全微分要求的是360°無死角。
舉個例子,看這個 :
我們考察這個函數在 點的全微分和偏微分的情況。
與 的交線是:
平面與曲面所交曲線與 軸重合:
在 點的微分(切線)很明顯,就是交線( 軸)自身,因此關于 的偏微分存在。
但是 與 的交線是:
在 點形成了一個尖點,很顯然此時的微分不存在:
因此,全微分不存在。
總結,全微分與偏導數、偏微分的關系:
- 全微分存在偏導數、偏微分一定存在
- 偏導數、偏微分存在全微分不一定存在
總結
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