隐函数
定义
设E⊂R2,函数F:E→R, 对于方程
F(x,y)=0
如果存在集合I,J∈R使得对任意的x∈I, 有唯一确定的y∈J满足(x,y)∈E和上述方程, 则该方程确定了一个I→J的隐函数.
例如方程
xy+y−1=0
确定了一个定义在(−∞,−1)∪(−1,+∞)的隐函数y=f(x), 且可以写成显函数的形式
y=1+x1
隐函数存在唯一性定理
若函数F(x,y)满足以下条件:
- F在以P0(x0,y0)为内点的某一区域D⊂R2上连续
- F(x0,y0)=0 (通常称为初始条件)
- F在D上存在连续的偏导数Fy(x,y)
- Fy(x0,y0)=0
则
- 存在点P0的某个邻域U(P0)⊂D, 在U(P0)上F(x,y)=0唯一确定了一个定义在某区间(x0−α,x0+α)上的隐函数y=f(x), 使得当x∈(x0−α,x0+α)时, (x,f(x))∈U(P0)且F(x,f(x))≡0,f(x0)=y0
- f(x)在(x0−α,x0+α)上连续
隐函数可微性定理
设F(x,y)满足隐函数存在唯一性定理, 且在D上还存在连续的偏导数Fx(x,y), 则由方程F(x,y)=0确定的隐函数y=f(x)在其定义域(x0−α,x0+α)上有连续导函数, 且
f′(x)=−Fy(x,y)Fx(x,y)
高阶导数
关键是要注意到这里y也是x的函数
F(x,y)=0∂x∂Fdxdx+∂y∂Fdxdy=0∂x2∂2Fdxdx+∂x∂Fydxdy+(∂y∂Fxdxdx+∂y2∂2Fdxdy)dxdy+∂y∂Fdx2d2y=0⟹y′′=Fy32FxFyFxy−Fy2Fxx−Fx2Fyy
隐函数极值问题
- 求y′为0的点, 即方程组{F(x,y)=0Fx(x,y)=0的解A(x,y), 注意需满足Fy(x,y)=0
- 对于每一个A, 计算y′′∣A=−FyFxxA, 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
{F(x,y,u,v)=0G(x,y,u,v)=0
所确定的隐函数组
{u=f(x,y)v=g(x,y)(x,y)∈D,(u,v)∈W
本质上可以看成由一个映射方程
f(x,y)=(f1(x,y),f2(x,y))=0x=(x1,x2),y=(y1,y2)
确定的隐映射
y=g(x),x∈D
隐映射定理
设W为Rn+m中的开集, W中的点用(x,y)来表示, 其中x=(x1,…,xn),y=(y1,…,ym). f:W→Rm为Ck映射:
f(x,y)=(f1(x,y),f2(x,y),…,fm(x,y))
设(x0,y0)∈W,f(x0,y0)=0且detJfy(x0,y0)=0, 其中
Jfy(x,y)=(∂yj∂fi(x,y))m×m
则存在x0的开邻域V⊂Rn以及唯一的Ck映射g:V→Rm使得
- y0=g(x0),f(x,g(x))=0,∀x∈V
- Jg(x)=−[Jfy(x,g(x))]−1Jfx(x,g(x))
特别地, 当n=m=2时, 利用伴随矩阵可以直接解得
(y1,y2)Jg=−(Jfy)−1Jfx⟹∂x1∂y1∂x1∂y2∂x2∂y1∂x2∂y2=g(x1,x2)=−det(Jfy)1(Jfy)∗Jfx=−∂y1∂f1∂y1∂f2∂y2∂f1∂y2∂f2−1∂y2∂f2−∂y1∂f2−∂y2∂f1∂y1∂f1∂x1∂f1∂x1∂f2∂x2∂f1∂x2∂f2
若需要明确指出f;x,y的每一个分量的具体的符号, 也可以把上面的Jfx,Jfy写成D(x1,…,xn)D(f1,…,fm),D(y1,…,ym)D(f1,…,fm)
并定义∂(x1,…,xm)∂(f1,…,fm)=D(x1,…,xm)D(f1,…,fm),∂(y1,…,ym)∂(f1,…,fm)=D(y1,…,ym)D(f1,…,fm)
注意在需要求行列式的时候上面得取m=n, 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
y=g(x)
是双射, 那么就有逆映射
x=g−1(y)
它存在当且仅当(隐映射定理)
detJyx=D(x1,…,xm)D(y1,…,ym)=0
特别地, 我们有
detJyx⋅detJxy=D(x1,…,xm)D(y1,…,ym)D(y1,…,ym)D(x1,…,xm)=1
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
⎩⎨⎧x=rsinφcosθy=rsinφsinθz=rcosθ
由于
∂(r,φ,θ)∂(x,y,z)=sinφcosθsinφsinθcosφrcosφcosθrcosφsinθ−rsinφ−rsinφsinθrsinφcosθ0=r2sinφ,
所以在r2sinφ=0即除去z轴上的一切点, 都可以给出r,φ,θ为x,y,z的函数
如果我们要求(比如说需要在一个关于u=u(x,y,z)微分方程中变换变量为r,φ,θ)给出ur,uφ,uθ, 则由链式法则
uxuyuz=rxryrzθxθyθzφxφyφzuruθuφ=xrxθxφyryθyφzrzθzφ−1uruθuφ=J1r2sin2θcosφrsinθcosθcosφ−rsinφr2sin2θsinφrsinθcosθsinφrcosφr2sinθcosθ−rsin2θ0uruθuφ.
其中
J=∂(r,φ,θ)∂(x,y,z)=r2sinφ
这里用到了
rxryrzθxθyθzφxφyφzxrxθxφyryθyφzrzθzφ=E
因为有
∂x∂r∂r∂x+∂y∂r∂r∂y+∂z∂r∂r∂z=∂r∂r=1⋯
对矩阵积的对角线元素成立, 和
∂x∂r∂θ∂x+∂y∂r∂θ∂y+∂z∂r∂θ∂z=∂θ∂r=0⋯
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
F(x,y)=0
如果在(x0,y0)附近满足隐函数定理的条件, 那么由
f′(x)=−FyFx
得到切线
Fx(x0,y0)(x−x0)+Fy(x0,y0)(y−y0)=0
和法线
Fx(x0,y0)(x−x0)−Fy(x0,y0)(y−y0)=0
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
L:x=x(t),y=y(t),z=z(t),α≤t≤β
由对称式方程, 可以得到L在(x0,y0,z0)的切线方程为
x′(t0)x−x0=y′(t0)y−y0=z′(t0)z−z0
而法平面Π满足
(x′(t0),y′(t0),z′(t0))⋅(x−x0,y−y0,z−z0)=0
即
x′(t0)(x−x0)+y′(t0)(y−y0)+z′(t0)(z−z0)=0
如果能够给出确定L的隐映射
L:f(x,y,z)=(f1(x,y,z),f2(x,y,z))=(0,0)
且在(x0,y0,z0)的某邻域满足隐映射定理
要求dzdx和dzdy, 则可取自变量X=(z), 因变量Y=(x,y), 满足(x,y)=g(z)有
Jg(z)=−(JfY(x,y))−1(JfX(x,y))=−∂x∂f1∂x∂f2∂y∂f1∂y∂f2−1∂y∂f2−∂x∂f2−∂y∂f1∂x∂f1∂z∂f1∂z∂f2
即可算出
dzdx=∂z∂x=∂z∂g1;dzdy=∂z∂y=∂z∂g2
于是有法平面方程
dzdxx−x0+dzdyy−y0+(z−z0)=0
和切线方程
dzdxx−x0=dzdyy−y0=1z−z0
曲面的切平面与法线
设曲面方程
F(x,y,z)=0
在(x0,y0,z0)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z=f(x,y)才能写出法向量
n=(fx(x0,y0),fy(x0,y0),−1)
由于
(∂x∂z∂y∂z)=−(∂z∂F)−1(∂x∂F∂y∂F)
故有法线方程
Fxx−x0=Fyy−y0=Fzz−z0
和切平面方程
Fx(x−x0)+Fy(y−y0)+Fz(z−z0)=0