多元微积分 · 偏导数

偏导数

函数f(x, y)对x的偏导数∂f/∂x,是固定y、只让x变化时f的变化率。在曲面z = f(x, y)上,它就是平面y = 常数截出的曲线的斜率。

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偏导数与本页画面

二元函数 f(x,y)f(x, y) 在点 (a,b)(a, b) 处对x的偏导数,记作 ∂f/∂x\partial f/\partial x 或 fxf_x,就是把y固定为b后,一元函数 x↦f(x,b)x \mapsto f(x, b) 在 x=ax = a 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。

偏导数
∂f∂x(a,b)=lim⁡h→0f(a+h, b)−f(a,b)h=ddxf(x,b)∣x=a\frac{\partial f}{\partial x}(a, b) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a + h,\, b) - f(a, b)}{h} = \frac{d}{dx} f(x, b)\Big|_{x = a}

也常写作 fx(a,b)f_x(a, b) 或 fx′(a,b)f'_x(a, b),点 (a,b)(a, b) 也常记作 (x0,y0)(x_0, y_0)。玻璃曲面是 z=f(x,y)z = f(x, y) 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 y=by = b 截曲面,得到一条曲线,即截线:x↦f(x,b)x \mapsto f(x, b) 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 ∂f/∂x\partial f/\partial x,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 ∂f/∂y\partial f/\partial y 时,平面转为 x=ax = a。

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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 f=xy/4f = xy/4 上,沿x方向的每条截线都是直线,斜率 ∂f/∂x=y/4\partial f/\partial x = y/4 只取决于截在哪里。
  • ∂f/∂x=0\partial f/\partial x = 0 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 hh,截线本身大约变化 h ∂f/∂xh\,\partial f/\partial x,hh 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。
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用途

  • 两个偏导数合起来就是梯度 ∇f=(fx,fy)\nabla f = (f_x, f_y)。f可微时,拨杆拨到“两个”时显示的两条切线都在切平面 z=f(a,b)+fx (x−a)+fy (y−b)z = f(a, b) + f_x\,(x - a) + f_y\,(y - b) 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。
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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 ∂f/∂x\partial f/\partial x,固定y、沿x方向截;拨到 ∂f/∂y\partial f/\partial y,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)。
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相关概念

延伸阅读:维基百科:偏导数;OpenStax:Calculus Volume 3, 4.3 Partial Derivatives(英文)。