2022年数学分析.--二元函数的泰勒公式参考 .pdf
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1、10.4 二元函数的泰勒公式一. 高阶偏导数二元函数zf),(yx的两个(一阶)偏导函数xz,yz仍是x与y的二元函数。若他们存在关于x和y的偏导数,即x(xz) ,y(xz) ,x(yz) ,y(yz). 称它们是二元函数zf),(yx的二阶偏导(函)数. 二阶偏导数至多有22个。通常将x(xz)记为22xz或 xxf),(yx. y(xz)记为yxz2或 xyf),(yx. (混合偏导数 ) x(yz)记为xyx2或 yxf),(yx. (混合偏导数 ) y(yz)记为22yz或 yyf),(yx. 一般地,二元函数zf),(yx的1n阶偏导数的偏导数称为二元函数的n阶偏导数 .二元函数的
2、n阶偏导数至多有2n个. 二元函数z=f(x,y)的n阶偏导数的符号与二阶偏导数类似 . 例如 , 符号kknnyxz或)( nyxkknf),(yx表示二元函数zf),(yx的n阶偏导数, 首先对x求kn阶偏导数 , 其次对y求k阶偏导数. 二阶与二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数 . 类似可定义三元函数、一般n元函数的高阶偏导数. 例 1 求函数332233xyyxyxz的二阶偏导数. 解xz=23263yxyyx,yz=xyxyx233223.22xz=yxy663. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心
3、整理 - - - - - - - 第 1 页,共 18 页 - - - - - - - - - yxz2=yxyx26922. xyz2=yxyx26922. (yxz2=xyz2) 22yz=xyx263. 例 2证明:若 u=r1,r=222)()()(czbyax,则22xu+22yu+22zu=0. 证明由 10.3 例 2,有xu=3rax,yu=3rby,zu=3rcz. 22xu=6233)(rxrraxr(xr=rax) =6233)(rraxraxr=31r+53r2)(ax. 同样,可得22yu=31r+53r2)(by, 22zu=31r+53r2)(cz于是,22xu+
4、22yu+22zu=31r53r)()()(222czbyax=33r+33r=0. 由例 1 看到,yxz2=xyz2,即二阶混合偏导数(先对x后对y和先对y后对x)与求导的顺序无关。那么是否函数的高阶混合偏导数都与求导顺序无关呢?否!例如,函数f(x,y)= 02222yxyxxy,0,0,2222yxyx名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 18 页 - - - - - - - - - 在原点( 0, 0)的两个偏导数 xyf(0,0)于 yxf(0,0)
5、都存在,且)0,0( xyf)0,0( yxf事实上,由偏导数定义,有xf(0, 0)= 0limhhfhf)0,0()0,(=0 yf(0, 0)= 0limhhfhf)0,0(),0(=0 xf),0(y= 0limhhyfyhf),0(),(=0limhhyhyhhy2222=y. yf(x, 0)= 0limhhxfhxf)0,(),(=0limhhhxhxxh2222=x. xyf(0, 0) =0limhhfhfxx)0,0(),0(=0limhhh=1 yxf(0, 0)=0limhhfhfyy)0,0()0,(=0limhhh=1于是,)0,0( xyf)0,0( yxf那么,
6、多元函数具有什么条件,它的混合高阶偏导数与求导的顺序无关呢?有下面的定理:定理 1若二元函数),(yxf在点 P0(x0,y0)的邻域 G 存在二阶混合偏导数 xyf),(yx与 yxf),(yx,并且它们在点P0(x0,y0)连续,则 xyf),(00yx= yxf),(00yx证法根据一阶、二阶偏导数的定义,有),(00 yxfxy=0limkkyxfkyxf),(),(0000=0limkk1hkyxfkyhxfh),(),(lim00000),(),(lim00000hyxfyhxfh名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -
7、- - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 18 页 - - - - - - - - - =0limk0limhhkyxfyhxfkyxfkyhxf),(),(),(),(00000000设),(kh=),(),(),(),(00000000yxfyhxfkyxfkyhxf从而 , ),(00 yxfxy=0limk0limhhkh)k,(. 同样方法,有),(00 yxfyx=0limh0limkhkh)k,(. 定理 1 的实质是上述两个累次极限相等,即两个累次极限可以交换次序.由此可见,证明定理 1 要构造函数),(kh. 证明当h与k充 分 小 时 , 使),
8、(00kyhxG, 从 而 ,),(00yhx与),(00kyxG,设),(kh),(),(),(),(00000000yxfyhxfkyxfkyhxf. (1)令),(),()(00yxfkyxfxg,(1)式可改写为),(kh)()(00 xghxg. 函数)(xg在以0 x和hx0为端点的区间可导,根据微分中值定理,有),(khhhxgx)(10=hyhxfkyhxfxx),(),(010010,101. 已知 xyf),(yx在G存在,将hx10看作常数,再根据微分中值定理,有),(kh xyfhkkyhx),(2010,10,12. (2) 再令),(),()(00yxfyhxfyl
9、,同样方法,有),(kh yxfhkkyhx),(4030,30,14. (3) 于是,由( 2)式和( 3)式,有 xyf),(2010kyhx= yxf),(4030kyhx. 已知 xyf),(yx与 yxf),(yx在点),(000yxP连续,当022kh时,有名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 18 页 - - - - - - - - - ),(00 yxfxy=),(00 yxfyx. 例 3 证明:若,sin,cos),(yxyxfz则22xf+
10、22yf=22f+2122f+1f. 证明.sincosyfxfyyfxxff.cossinyfxfyyfxxff)sincos()(22yfxfff.sincossincossincos22222222yfxyfyxfxf)cossin()(22yfxfff.sincoscossincoscossinsin222222222222yfyfxyfxfyxfxf于是,fff1122222)cos(sin)sin(cos22222222yfxfsincossincosyfxfyfxf.2222yfxf即.11222222222fffyfxf名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
11、- - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 18 页 - - - - - - - - - 定理 1 的结果可推广到n元函数的高价混合偏导数上去. 例如,三元函数),(zyxf关于zyx,的三阶混合偏导数共有六个:.,333333xyzfyxzfyzxfxzyfzxyfzyxf若它们在点),(zyx都连续,则它们相等. 若二元函数),(yxf所有的高阶混合偏导数都连续,则偏导数(亦称一阶偏导数)有两个,二阶偏导数只有三个)( yxxyff,三阶偏导数只有四个 .一般情况,n阶偏导数只有1n个. 二. 二元函数的泰勒公式一元函数
12、的泰勒公式能够推广到多元函数上来. 关于多元函数泰勒公式的作用和意义与一元函数泰勒公式相同,不再重述 . 为书写简便, 只讨论二元函数的泰勒公式. 讨论二元函数泰勒公式的方法是作一个辅助函数,将二元函数化为一元函数. 应用已知的一元函数的泰勒公式和复合函数的微分法得到二元函数的泰勒公式. 为了将二元函数),(yxf在点),(kbhaQ的函数值),(kbhaf在点),(baP展成泰勒公式,作辅助函数),()(ktbhtaft,10t即.10,),()(tktbyhtaxyxft显然,).,()1(, 1);,()0(,0kbhaftbaft于是,函数),(kbhaf在点),(baP展成的泰勒公式
13、就是一元函数)(t在点0t的泰勒公式(即麦克劳林公式)在1t的值 . 定理2 若二元函数),(yxf在点),(baP的领域G存在1n阶连续的偏导数,则,),(GkbhaQ有),(kbhaf),()(!21),()(! 11),(2bafykxhbafykxhbaf,10),()()!1(1),()(!11kbhafykxhnbafykxhnnn(4)其中符号),()()(bafyxli表示偏导数liiyxf1在),(baP的值,名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,
14、共 18 页 - - - - - - - - - ).,(),()(0bafyxkhCbafykxhimimimimiimm(4) 式称为二元函数),(yxf在点),(baP的泰勒公式 . 证明设.10),()(tktbhtaft由已知条件,函数)(t在区间1 ,0存在1n阶连续导数 . 从而,可将函数)(t展成麦克劳林公式,即.10,)!1()(!)0(!2)0(! 1)0()0()(1)1()(2 nnnntnttnttt特别地,当1t时,有.10,)!1()(!)0(!2)0(! 1)0()0()1()1()( nnnn).,()0(),()1(bafkbhaf求),(,),(),()1
15、( tttn即求复合函数ktbyhtaxyxf,),(的高级导数 . 由复合函数微分法则,有yfkxfhdtdyyfdtdxxft )().,()(ktbhtafykxh )()()(yfkxfhtt22222222yfkxyfhkyxfhkxfh22222222yfkyxfhkxfh (根据定理 1) ),()2(2222222ktbhtafykyxhkxh).,()(2ktbhtafykxh名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 18 页 - - - - -
16、- - - - 同法可得,).,()()()(ktbhtafykxhtmm令0t,有.,2,1),()()0()(nmbafykxhmm).,()()(1)1(kbhafykxhnn将上述结果代入)1(的展开式中,就得到二元函数),(yxf在点),(baP的泰勒公式:),(kbhaf),()(!21),()(! 11),(2bafykxhbafykxhbaf.10),()()!1(1),()(!11kbhafykxhnbafykxhnnn在泰勒公式 (4) 中,令,0,0 ba就得到二元函数),(yxf的麦克劳林公式(将h与k分别用x与y表示) :),(yxf)0,0()(!21)0,0()(
17、! 11)0,0(2fyyxxfyyxxf.10),()()!1(1)0,0()(!11yxfyyxxnfyyxxnnn(5)在泰勒公式 (4) 中,当0n时,有kkbhafhkbhafbafkbhafyx),(),(),(),(或.10,),(),(),(),(kkbhafhkbhafbafkbhafyx(6)(6)式是二元函数中值定理 的另一种形式,这里只有一个.在泰勒公式(4)中,当1n时,有kbafhbafbafkbhafyx),(),(),(),(hkkbhafhkbhafxyxx),(2),(21 2 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -
18、 - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 18 页 - - - - - - - - - .10,),(2 kkbhafyy(7)例4 将二元函数yxeyxf),(展成麦克劳林公式. 解函数yxeyxf),(在2R存在任意阶连续偏导数,且,1)0,0(,fyxeyxflmlmyxlmlmm与l是任意非负整数.由公式( 5) ,有.10,)()!1(1)(!1)(!21)(1)(12yxnnyxeyxnyxnyxyxe不难看到,将yxe中的yx当作一个变量,用一元函数的麦克劳林公式得到的结果与上述结果是一致的. 不难将上述二元函数的泰勒公式推广到n
19、元函数上去 .例如,若三元函数),(zyxf在原点)0,0,0(的领域G存在1n阶连续偏导数,则,),(Gzyx三元函数),(zyxf的麦克劳林公式为)0,0,0()(! 11)0,0,0(),(fzzyyxxfzyxf.10),()()!1(1)0,0,0()(!11zyxfzzyyxxnfzzyyxxnnn例 5当zyx,都很小时,将超越函数zyxzyxzyxfcoscoscos)cos(),(近似表为zyx,的多项式 . 解将三元函数),(zyxf展成麦克劳林公式(到二阶偏导数),有)0,0,0()0,0,0()0,0,0()0,0,0(),(zyxzfyfxffzyxf)0,0,0()
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