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