高阶偏导数
二元函数的二阶偏导数有四种场景
∂x∂(∂x∂z)∂y∂(∂x∂z)∂x∂(∂y∂z)∂y∂(∂y∂z)=∂x2∂2z=fxx(x,y)=∂x2∂2zy=fxy(x,y)=∂y2∂2zx=fyx(x,y)=∂y2∂2z=fyy(x,y)
类似地也可定义三阶偏导数如∂x2∂y∂3z=∂y∂(∂x2∂2z)
注意, 一般来说∂x∂zy=∂y∂zx, 但是若fxy(x,y),fyx(x,y)都在点(x0,y0)连续, 则有fxy(x0,y0)=fyx(x0,y0), 这个结论对n元函数的混合偏导数也成立
在本节中, 若无特殊说明, 都认为分析的函数无数阶连续可导, 从而混合偏导数和求导顺序无关
中值定理
若区域D上任意两点的连线都含于D, 则称D为凸区域
设二元函数f在凸开域D⊂R2上可微, 则对任意两点P(a,b),Q(a+h,b+k)∈D, 则存在实数θ∈(0,1)使得
f(a+h,b+k)=f(a,b)+fx(a+θh,b+θk)h+fy(a+θh,b+θk)k
一般形式的推广
设凸域D⊂Rn且f:D→R可微, 则任给a,b∈D存在ξ∈D使得
f(b)−f(a)=Jf(ξ)⋅(b−a)
其中ξ=a+θ(b−a),θ∈(0,1), 即ξ位于连接a,b的直线段上, 而关于Jf(ξ)见Jacobian矩阵
这说明了如果一个多元函数可微, 则它可以用线性函数逼近, 利用这一点我
们可以做近似计算
此中值定理对向量值函数不成立
Taylor定理
记号约定
设αi∈R+(1≤i≤n), 记α=(α1,…,αn)t称为多重指标, 记
∣α∣=i=1∑nαi,α!=i=1∏nαi!
如果x=(x1…,xn)t∈Rn, 则记
xα=x1α1…xnαn
和
Dαf(x0)=∂x1α1⋯∂xnαn∂∣α∣f(x0)
二元情况
若函数f在点P0(x0,y0)的某邻域U(P0)上有直到n+1阶的连续偏导数, 则对U(P0)上的任一点(x0+h,y0+k)都存在相应的θ∈(0,1), 使得
f(x0+h,y0+k)=f(x0,y0)+(h∂x∂+k∂y∂)f(x0,y0)+2!1(h∂x∂+k∂y∂)2f(x0,y0)+⋯+n!1(h∂x∂+k∂y∂)nf(x0,y0)+(n+1)!1(h∂x∂+k∂y∂)n+1f(x0+θh,y0+θk)
其中
(h∂x∂+k∂y∂)mf(x0,y0)=i=0∑mCmi∂xi∂ym−i∂mf(x0,y0)hikm−i
多元情况
设凸域D⊂Rn, f∈Cm+1(D),a=(a1,…,an)t∈D. 则任给x∈D存在θ∈(0,1)使得
f(x)=k=0∑m∣α∣=k∑α!Dαf(a)⋅(x−a)α+∣α∣=m+1∑α!Dαf(a+θ(x−a))⋅(x−a)α