偏导数与本页画面
二元函数 在点 处对x的偏导数,记作 或 ,就是把y固定为b后,一元函数 在 处的导数:y不动,只让x变化。对y的偏导数同样是把x固定。本页在六个曲面上演示这两个偏导数。
也常写作 或 ,点 也常记作 。玻璃曲面是 的图像,下方地面上是它的等高线图。过蓝色点 P 的竖直平面 截曲面,得到一条曲线,即截线: 的图像。灰色箭头是沿x方向走一个单位;从箭头末端到蓝色切线的有符号竖直变化(向上为正、向下为负)叫作升高,它就是 ,也就是截线在P点处切线的斜率——这就是偏导数的几何意义。视图上的小窗把同一条截线画成普通的函数图像。选 时,平面转为 。
值得注意
- 偏导数可能与P的两个坐标都有关,包括被固定的那个坐标。移动截线,曲线就变了,斜率也可能跟着变:在 上,沿x方向的每条截线都是直线,斜率 只取决于截在哪里。
- 只说明沿x方向的截线在P点是平的。可微函数在定义域内部的点取得局部极大值或极小值时,两个偏导数都为0(驻点);但仅凭这一点还不够:鞍点处两个偏导数也都是0。
- 升高是在切线上量的,不是在曲面上:走一小步 ,截线本身大约变化 , 越小越准。
- 三维视图保持真实比例,z轴与x、y轴同比例,但一条线在屏幕上看起来有多陡取决于观察角度。截线小窗正对截线、两轴等比例,斜率可以在那里直接比较。
用途
- 两个偏导数合起来就是梯度 。f可微时,拨杆拨到“两个”时显示的两条切线都在切平面 上。只有两个偏导数存在,还不能保证切平面存在。
- 一个量依赖于几个量时,偏导数衡量它对其中一个量的反应,其余的量保持不变,例如体积不变时气体压强随温度升高的快慢。
操作
- 在曲面上或地面地图上拖动P。关键点按钮直接跳到精确的位置;在作为关键点给出的驻点处,两个偏导数恰好为0。
- 截线一区的拨杆选让哪个变量变化:拨到 ,固定y、沿x方向截;拨到 ,固定x、沿y方向截;拨到中间两个,两条截线一起看。截线图打开或关闭小窗;只看一条截线时,在小窗里也可以直接沿截线拖动P。位置一区的两个滚轮,一个让P沿截线走,一个移动截面。演示模式打开适合投影的全屏视图(← → 沿截线移动P,↑ ↓ 移动截面,X、Y、B拨动拨杆,H隐藏答案)。