隐函数

定义

,函数, 对于方程

如果存在集合使得对任意的, 有唯一确定的满足和上述方程, 则该方程确定了一个隐函数.

例如方程

确定了一个定义在的隐函数, 且可以写成显函数的形式

隐函数存在唯一性定理

若函数满足以下条件:

  1. 在以为内点的某一区域上连续
  2. (通常称为初始条件)
  3. 上存在连续的偏导数
  4. 存在点的某个邻域, 在唯一确定了一个定义在某区间上的隐函数, 使得当时,
  5. 上连续

隐函数可微性定理

满足隐函数存在唯一性定理, 且在上还存在连续的偏导数, 则由方程确定的隐函数在其定义域上有连续导函数, 且

高阶导数

关键是要注意到这里也是的函数

隐函数极值问题

  1. 的点, 即方程组的解, 注意需满足
  2. 对于每一个, 计算, 并由此判断是极大值还是极小值

隐函数组和隐映射

如由这样的方程组

所确定的隐函数组

本质上可以看成由一个映射方程

确定的隐映射

隐映射定理

中的开集, 中的点用来表示, 其中. 映射:

, 其中

则存在的开邻域以及唯一的映射使得

  1. 特别地, 当时, 利用伴随矩阵可以直接解得

符号说明

若需要明确指出的每一个分量的具体的符号, 也可以把上面的写成 并定义 注意在需要求行列式的时候上面得取, 也就是Jacobian矩阵应当为一方阵

逆映射和变量代换

若上面的确定的隐映射

双射, 那么就有逆映射

它存在当且仅当(隐映射定理

特别地, 我们有

这个工具可以用于分析变量代换, 如直角坐标和球坐标之间的变换

由于

所以在即除去轴上的一切点, 都可以给出的函数

如果我们要求(比如说需要在一个关于微分方程中变换变量为)给出, 则由链式法则

其中

这里用到了

因为有

对矩阵积的对角线元素成立, 和

对矩阵积的非对角线元素成立

几何应用

平面曲线的切线和法线

对于平面曲线

如果在附近满足隐函数定理的条件, 那么由

得到切线

法线

空间曲线的切线和法平面

对于由参数方程确定的空间曲线

对称式方程, 可以得到的切线方程为

而法平面满足

如果能够给出确定的隐映射

且在的某邻域满足隐映射定理 要求, 则可取自变量, 因变量, 满足

即可算出

于是有法平面方程

切线方程

曲面的切平面与法线

设曲面方程

的某邻域满足隐映射定理 结合可微性的几何意义, 要先确定隐函数才能写出法向量

由于

故有法线方程

切平面方程