多元函数中可微与可导的直观区别是什么?

1 偏微分

在一元函数中的微分就是函数的切线:



其实这个空间曲线是y=0 这个空间平面与f(x,y) 这个空间曲面的交线:我们就把这个切线称为f(x,y) 对于x 的偏微分。理解了这个,就可以举一反三,所有y=CC 为常数)的平面与f(x,y) 的交线都是满足刚才说的特点:


这些交线上的点的切线都是f(x,y) 关于x 的偏微分。

当然,如果f(x,y)x=CC 为常数)得到的交线,这些交线的切线就是f(x,y) 关于y 的偏微分。

总结,偏微分就是:

  • 固定y ,变换x 得到的就是f(x,y) 关于x 的偏微分
  • 固定x ,变换y 得到的就是f(x,y) 关于y 的偏微分

2 偏导数

偏微分理解了偏导数就好理解了,就是偏微分的斜率,现在你应该可以明白为什么我们在求f(x,y) 对于x 的偏导数的时候,我们把y 当作常数来看待了吧。

只是有一点需要说明,在三维空间中角度可以有不同的定义,计算斜率的时候我们是看下面这个 \alpha 角:


总结,偏导数就是偏微分的斜率。

3 全微分

其实,不光是x=C 或者y=C 这样的平面可以和f(x,y) 相交得到交线,所有和xy 平面垂直的平面都相交得到交线,这些交线都会有切线(微分)。

这个平面相交得到的交线:


这个平面也可以:


如果这些切线都存在,并且这些切线(无数条)还都在同一个平面上(平面不是曲面),那么得到的这个平面就是全微分(也叫做切平面,或者说切空间):


总结,全微分就是:

  • 360°微分都存在
  • 并且这些微分要共面,得到的就是全微分

4 全微分与偏导数、偏微分的关系

根据全微分的定义,如果全微分存在,那么偏导数、偏微分一定存在。

但是反过来不一定成立,即偏导数、偏微分存在,全微分不一定存在。因为偏导、偏微分只是xy 方向的导数、微分,而全微分要求的是360°无死角。

举个例子,看这个 :


我们考察这个函数在A=(0,0,0) 点的全微分和偏微分的情况。

f(x,y)y=0 的交线是:


平面与曲面所交曲线与x 轴重合:


A=(0,0,0) 点的微分(切线)很明显,就是交线(x 轴)自身,因此关于x 的偏微分存在。

但是f(x,y)y=x 的交线是:


A=(0,0,0) 点形成了一个尖点,很显然此时的微分不存在:


因此,全微分不存在。

总结,全微分与偏导数、偏微分的关系:

  • 全微分存在偏导数、偏微分一定存在
  • 偏导数、偏微分存在全微分不一定存在

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