考研数学二·零基础讲义 · 第 12 讲(三)|多元函数微分学:复合函数与隐函数求导
学完本篇,你能用"树形图"求多元复合函数的一阶、二阶偏导(包括抽象函数),会用公式法求隐函数的一阶、二阶偏导。预计用时:3 小时。
本讲地图#
- 多元复合函数求导(链式法则):画树形图,"同路相乘、异路相加"——大纲要求"会求多元复合函数一阶、二阶偏导数",几乎每年都以某种形式出现,是第 12 讲计算的核心。
- 全导数、"自变量兼中间变量"、一元外层函数:三种常见结构。
- 隐函数求偏导:公式法 −Fx/Fz,以及隐函数的二阶偏导——大纲要求"了解隐函数存在定理,会求多元隐函数的偏导数"。
前置知识#
- 第 12 讲(一)(二):偏导数、二阶偏导、混合偏导相等的条件。
- 一元复合函数求导、隐函数求导(见第 06 讲)。
一句话心态:链式法则靠画图不靠背。每道题先把树画出来,再数路径,绝不心算。
一、多元复合函数求导:画树形图#
1.1 大白话#
一元复合函数求导是"链条":y=f(u), u=g(x),则 dxdy=dudy⋅dxdu——一环扣一环乘下去。
多元的时候,从 z 到 x 可能有好几条路。就像从家到学校有好几条路线,总"影响"等于每条路线的影响加起来。
规则只有一句:同一条路上的导数相乘,不同路之间相加。
为什么一元的链式法则不够用? 一元时,y=f(u)、u=g(x),x 只能通过 u 这一条"管道"影响 y。多元时,z=f(u,v) 里的 u、v 可能都依赖 x,于是 x 一变,u 跟着变、v 也跟着变,两股变化一起传到 z。打个比方:你调高了室温(x),空调耗电(u)会变,冰箱耗电(v)也会变,电费(z)的变化就是两部分之和——这就是"异路相加"。而每一条路上,"室温影响空调耗电的速度"乘以"空调耗电影响电费的速度",就是这条路的贡献——这就是"同路相乘"。
1.2 公式#
设 z=f(u,v),u=u(x,y),v=v(x,y),则
∂x∂z=∂u∂z⋅∂x∂u+∂v∂z⋅∂x∂v,
∂y∂z=∂u∂z⋅∂y∂u+∂v∂z⋅∂y∂v.
1.3 逐行拆解:画树形图#
先画图:
z
/ \
u v ← 中间变量
/ \ / \
x y x y ← 自变量
图 1:树形图:从 z 到 x 的两条路(橙、蓝)依次高亮——同路相乘,异路相加(动画循环播放)
求 ∂x∂z:从 z 出发找所有能走到 x 的路——
- 路 1:z→u→x,贡献 ∂u∂z⋅∂x∂u;
- 路 2:z→v→x,贡献 ∂v∂z⋅∂x∂v;
- 加起来。
抽象函数的记号:f1′(或 f1)表示 f 对第 1 个位置的变量求偏导,f2′ 表示对第 2 个位置求偏导,f12′′ 表示先对第 1 个位置、再对第 2 个位置求偏导。用位置编号而不是变量名,是因为中间变量常常是一长串式子。
1.4 例题#
例 1(具体函数) 设 z=eusinv,u=xy,v=x+y,求 ∂x∂z。
解:树形图同上。
- ∂u∂z=eusinv,∂x∂u=y;
- ∂v∂z=eucosv,∂x∂v=1。
∂x∂z=eusinv⋅y+eucosv⋅1=exy[ysin(x+y)+cos(x+y)].
(最后一定要把 u,v 换回 x,y。)
例 2(全导数:终点只有一个变量) 设 z=u2v,u=cost,v=sint,求 dtdz。
解:树形图:
z
/ \
u v
| |
t t
z 最终只是 t 一个变量的函数,所以写成一元导数 dtdz(直的 d),叫全导数。两条路:
dtdz=∂u∂z⋅dtdu+∂v∂z⋅dtdv=2uv⋅(−sint)+u2⋅cost.
换回 t:
dtdz=−2costsin2t+cos3t.
(验算:直接代入 z=cos2tsint 用一元求导,结果相同。)
例 3(自变量同时当中间变量) 设 z=f(x, xy),f 具有二阶连续偏导数,求 ∂x∂z、∂x∂y∂2z。
解:第 1 个位置就是 x 本身,第 2 个位置是 xy。树形图:
z
/ \
①x ②xy
| / \
x x y
求 zx:走到 x 有两条路——
- 经过第 1 位置:f1′⋅∂x∂x=f1′⋅1;
- 经过第 2 位置:f2′⋅∂x∂(xy)=f2′⋅y。
∂x∂z=f1′+yf2′.
再对 y 求导:f1′、f2′ 都还是 (x, xy) 的函数;第 1 位置 x 对 y 的导数是 0,第 2 位置 xy 对 y 的导数是 x。
- (f1′)y=f11′′⋅0+f12′′⋅x=xf12′′;
- (yf2′)y=f2′+y⋅(f2′)y=f2′+y⋅xf22′′。
∂x∂y∂2z=xf12′′+f2′+xyf22′′.
记号提醒:这里不要写 ∂x∂f 来表示 f1′。因为 ∂x∂z(z 对 x 的"总"偏导,两条路都算)和"f 对第 1 个位置的偏导"不是一回事,用 f1′ 才不会混淆。
例 4(抽象函数,二阶) 设 z=f(x+y, xy),f 具有二阶连续偏导数,求 ∂x∂z 和 ∂x∂y∂2z。
解:记第 1 个位置 u=x+y,第 2 个位置 v=xy。
第一步,求 zx:u 对 x 求导得 1,v 对 x 求导得 y。
∂x∂z=f1′⋅1+f2′⋅y=f1′+yf2′.
第二步,对 y 再求导。关键认识:f1′ 和 f2′ 仍然是 (x+y, xy) 的函数,它们自己也有一棵同样的树!
- (f1′)y=f11′′⋅∂y∂u+f12′′⋅∂y∂v=f11′′+xf12′′;
- (yf2′)y 用乘积法则:=1⋅f2′+y⋅(f2′)y=f2′+y(f21′′+xf22′′)。
相加,并利用 f12′′=f21′′(二阶偏导连续):
∂x∂y∂2z=f11′′+(x+y)f12′′+xyf22′′+f2′.
1.5 易错点 ⚠️#
- 树形图里每一条从 z 到目标变量的路都不能漏,尤其是自变量直接连到 z 的那条短路(例 3)。
- 最常见错误:对 f1′ 再求导时,忘了它还是复合函数,直接写成 0 或只写一项。
- 乘积 yf2′ 求导时,y 本身的导数那一项 f2′ 很容易漏。
- 结果别忘了合并 f12′′ 与 f21′′(前提:二阶偏导连续)。
1.6 三种常见结构一览#
| 结构 |
树形图特点 |
结果 |
| z=f(u,v),u,v 都是 x,y 的函数 |
两个中间变量,各自分叉到 x,y |
zx=fuux+fvvx |
| z=f(u,v),u,v 都只是 t 的函数 |
终点只有 t |
全导数 dtdz=fuu′+fvv′ |
| z=f(x,v),v=v(x,y) |
x 既是自变量又是中间变量 |
zx=f1′+f2′vx |
| z=f(u),u=u(x,y)(一个中间变量) |
只有一条路 |
zx=f′(u)ux(f 是一元函数,用 f′) |
最后一行常被忽略:比如 z=f(x2+y2),f 是一元函数,则 zx=2xf′(x2+y2),zy=2yf′(x2+y2),写 f′ 不写 f1′。
二、隐函数求偏导(公式法)#
2.1 大白话#
有时候 z 没有被写成"z= 某某",而是藏在一个方程 F(x,y,z)=0 里,比如 x2+y2+z2=4z。你很难(或不想)把 z 解出来,但仍然想知道 z 对 x 的偏导——这就是隐函数求偏导。
2.2 公式#
一个方程确定一元函数:F(x,y)=0 确定 y=y(x),若 Fy=0,则
dxdy=−FyFx.
一个方程确定二元函数:F(x,y,z)=0 确定 z=z(x,y),若 Fz=0,则
∂x∂z=−FzFx,∂y∂z=−FzFy.
隐函数存在定理(大白话版):方程 F(x,y,z)=0 并不总能"解出" z。比如球面 x2+y2+z2=1,给定 (x,y) 往往对应上下两个 z。定理说的是:在某一点附近,如果 Fz=0,那么在这一点附近,方程就能唯一地确定一个可导的函数 z=z(x,y)。直观理解:Fz=0 表示"z 一变,F 就跟着变",所以 z 被方程"拴住"了,不会出现一对多。大纲只要求"了解"这个定理,考试中只需记住公式成立的条件是 Fz=0(一元情形是 Fy=0)。
两种方法的对比:求隐函数偏导有两条路——
- 公式法:先求 Fx、Fz(x,y,z 平等,都当独立变量),再代 −FzFx;
- 直接求导法:方程两边对 x 求偏导,把 z 看成 x,y 的函数(遇到 z 就乘 zx),再解出 zx。
两种方法结果一样。一阶偏导用公式法最快;求二阶偏导时,往往对一阶结果直接求导更方便(见例 8)。初学时最容易犯的错,就是把两种方法的规则混在一起:用公式法时却把 z 当成 x 的函数去求 Fx。
2.3 逐行拆解#
- 先把方程移项成 F(x,y,z)=0 的形式,所有项都在左边。
- 求 Fx 时,把 x,y,z 看成三个平等的独立变量,y、z 都当常数(这点和"直接对方程两边求导"不同,后者要把 z 当成 x 的函数)。
- 公式前面有负号,别丢。
- 大纲说"了解隐函数存在定理":条件 Fz=0 就是那个定理的核心,保证 z 能被"解出来"。
公式的来历(一句话):对 F(x,y,z(x,y))=0 两边对 x 求导,用链式法则得 Fx+Fz⋅zx=0,解出 zx=−Fx/Fz。
2.4 例题#
例 5 设 x2+y2+z2−4z=0,求 ∂x∂z、∂y∂z。
解:令 F=x2+y2+z2−4z。则 Fx=2x,Fy=2y,Fz=2z−4。
∂x∂z=−2z−42x=2−zx,∂y∂z=−2z−42y=2−zy.
例 6 设 y=y(x) 由 siny+ex−xy2=0 确定,求 dxdy。
解:F=siny+ex−xy2,Fx=ex−y2,Fy=cosy−2xy。
dxdy=−cosy−2xyex−y2=2xy−cosyex−y2.
例 7(求一点处的导数) 设 y=y(x) 由 ey+xy=e 确定,求 y′(0)。
解:
① 先求 x=0 时的 y:代入方程 ey+0=e,得 y(0)=1。
② 公式法:F=ey+xy−e,Fx=y,Fy=ey+x,
y′=−ey+xy.
③ 代入 x=0, y=1:y′(0)=−e1。
求"某一点的导数"时,别忘了先由方程算出该点的 y 值,这一步常被漏掉。
例 8(隐函数的二阶偏导) 接例 5,设 x2+y2+z2−4z=0,求 ∂x2∂2z。
解:由例 5,zx=2−zx。现在对 x 再求一次偏导,这时 z 是 x 的函数(不能再当常数了),用商的法则:
zxx=(2−z)21⋅(2−z)−x⋅(−zx)=(2−z)2(2−z)+xzx.
把 zx=2−zx 代回去:
zxx=(2−z)2(2−z)+2−zx2=(2−z)3(2−z)2+x2.
关键一步:对 2−zx 求导时,分母里的 z 求导要乘上 zx,然后再把 zx 的表达式代回去。
2.5 易错点 ⚠️#
- 用公式法求 Fx 时,z 当常数;用"两边求导法"时,z 是 x 的函数。两种方法别混着用。
- 求出的结果里可以含 z,这是正常的。
- 求二阶偏导时角色变了:对一阶结果再求导,z 是 x,y 的函数,要乘 zx 或 zy。
公式/结论速记卡#
| 主题 |
核心结论 |
| 链式法则 |
画树形图:同路相乘,异路相加 |
| 全导数 |
z=f(u,v), u=u(t), v=v(t):dtdz=fudtdu+fvdtdv |
| 抽象函数记号 |
f1′、f2′ 按位置求偏导;f1′,f2′ 仍是原来那些中间变量的函数,再求导时还要走一遍树 |
| 一元外层 |
z=f(u),u=u(x,y):zx=f′(u)ux,写 f′ 不写 f1′ |
| 二阶抽象 |
f 二阶偏导连续 ⇒ f12′′=f21′′,记得合并 |
| 隐函数(一元) |
F(x,y)=0:dxdy=−FyFx |
| 隐函数(二元) |
F(x,y,z)=0:∂x∂z=−FzFx,∂y∂z=−FzFy(求 Fx 时 y,z 当常数) |
| 隐函数二阶 |
对一阶结果再求导,遇到 z 就乘 zx,再把 zx 代回 |
自测练习#
1. 设 z=u2lnv,u=yx,v=3x−2y,求 ∂x∂z、∂y∂z。
答案与提示
zu=2ulnv,zv=vu2;ux=y1,uy=−y2x;vx=3,vy=−2。
∂x∂z=y22xln(3x−2y)+y2(3x−2y)3x2,∂y∂z=−y32x2ln(3x−2y)−y2(3x−2y)2x2.
2. 设 z=f(x2−y2, exy),f 有连续偏导数,求 ∂x∂z、∂y∂z。
答案与提示
∂x∂z=2xf1′+yexyf2′,∂y∂z=−2yf1′+xexyf2′.
3. 设 z=f(xy, y),f 具有二阶连续偏导数,求 ∂x∂z 和 ∂x∂y∂2z。
答案与提示
zx=yf1′。再对 y 求导(乘积法则):zxy=f1′+y(f1′)y,而 (f1′)y=xf11′′+f12′′。
∂x∂y∂2z=f1′+xyf11′′+yf12′′.
4. 设 z=f(x2+y2),f 二阶可导,求 ∂x∂z 与 ∂x∂y∂2z。
答案与提示
f 是一元函数:zx=2xf′(x2+y2)。再对 y 求导:2x⋅f′′(x2+y2)⋅2y=4xyf′′(x2+y2)。
5. 设 z=z(x,y) 由 ez−xyz=0 确定,求 ∂x∂z。
答案与提示
F=ez−xyz,Fx=−yz,Fz=ez−xy,∂x∂z=ez−xyyz。
6. 设 z=z(x,y) 由 x+y+z=ez 确定,求 ∂x∂z 与 ∂x2∂2z。
答案与提示
F=x+y+z−ez,Fx=1,Fz=1−ez,所以 zx=ez−11。
再对 x 求导:zxx=−(ez−1)2ez⋅zx=−(ez−1)3ez。
7. 设 y=y(x) 由 x2+xy+y2=3 确定,求曲线在点 (1,1) 处的切线斜率。
答案与提示
Fx=2x+y,Fy=x+2y,y′=−x+2y2x+y,在 (1,1) 处 =−1。
下一讲预告#
第 12 讲(四)学多元函数的极值与最值:无条件极值、拉格朗日乘数法、闭区域最值,一套流程走到底。
评论
还没有评论。 来写第一条。