高等數(shù)學(xué)復(fù)習(xí)筆記8(多元導(dǎo)數(shù)的應(yīng)用)

一烹骨、曲線函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)

從參數(shù)方程形式引入“曲線的導(dǎo)數(shù)”更加容易。
空間中的一個(gè)曲線可以表示成參數(shù)方程:\left\{ \begin{aligned} x=\phi(t) \\ y=\psi(t) \\ z=\omega(t) \end{aligned} \right.
若把上面的方程組寫成向量形式\vec{r}=\vec{f}(t)=x\vec{i}+y\vec{j}+z\vec{k}=\phi(t)\vec{i}+\psi(t)\vec{j}+\omega(t)\vec{k}吨岭,就叫做一元向量值函數(shù)。
r是假設(shè)質(zhì)點(diǎn)沿著曲線運(yùn)動(dòng)的位置軌跡辣辫,即曲線本身魁巩。其導(dǎo)數(shù)有以下\color{red}{物理意義}
\frac{dr}{dt}=v(t)是質(zhì)點(diǎn)M的速度向量,其方向與曲線相切
\frac{d^2r}{dt^2}=\frac{dv(t)}{dt}=a(t)是質(zhì)點(diǎn)M的加速度向量
注意:f(t)t_0可導(dǎo)的\color{red}{充分必要條件}是葬馋,f(t)在三個(gè)分量函數(shù)\phi(t),\psi(t),\omega(t)都在t_0可導(dǎo)肾扰。其導(dǎo)數(shù)為f'(t_0)=\phi'(t_0)i+\psi'(t_0)j+\omega'(t_0)k

二、曲線的切線和法平面

  • 曲線在t_0的導(dǎo)數(shù)是f'(t_0)=(\phi'(t_0),\psi'(t_0),\omega'(t_0))
  • f(t_0)的切線方程是\frac{x-x_0}{\phi'(t_0)}=\frac{y-y_0}{\psi'(t_0)}=\frac{z-z_0}{\omega'(t_0)}
  • 經(jīng)過f(t_0)且垂直于切線的平面叫做法平面集晚,其方程是\phi'(t_0)(x-x_0)+\psi'(t_0)(y-y_0)+\omega'(t_0)(z-z_0)=0

曲線不僅可以用參數(shù)方程表示,還可以有更一般的表達(dá)蒋院,即\left\{ \begin{aligned} G(x,y,z)=0 \\ F(x,y,z)=0 \end{aligned} \right.
雖然有兩個(gè)變量(x,y)条摸,但是聯(lián)立方程組會(huì)消去一個(gè)自由度,變成一個(gè)變量x钉蒲。或者理解為踏枣,當(dāng)x確定后(y,z)的方程組只有唯一解昌屉,即任意一個(gè)x對(duì)應(yīng)一個(gè)(y,z)茵瀑,因此只有一個(gè)變量x。
兩邊同時(shí)求導(dǎo)竞帽,并解出\frac{dy}{dx},\frac{dz}{dx}.這些內(nèi)容在筆記5中講過了鸿捧。
上述方程組可以轉(zhuǎn)化為\left\{ \begin{aligned} x=x \\ y=y(x) \\ z=z(x) \end{aligned} \right.

  • 因此其導(dǎo)數(shù)為f'(x_0)=(1,y'(x_0),z'(x_0))
  • 切線方程是\frac{x-x_0}{1}=\frac{y-y_0}{y'(x_0)}=\frac{z-z_0}{z'(x_0)}
  • 經(jīng)過f(x_0)且垂直于切線的平面叫做法平面匙奴,其方程是(x-x_0)+y'(x_0)(y-y_0)+z'(x_0)(z-z_0)=0

三、曲面的切平面和法線

曲面的函數(shù)為z=f(x,y),或者寫成F(x,y,z)=0

  • 切平面方程
    F_x(x_0,y_0,z_0)(x-x_0)+F_y(x_0,y_0,z_0)(y-y_0)+F_z(x_0,y_0,z_0)(z-z_0)=0
  • 法線方程
    \frac{x-x_0}{F_x(x_0,y_0,z_0)}+\frac{y-y_0}{F_y(x_0,y_0,z_0)}+\frac{z-z_0}{F_z(x_0,y_0,z_0)}=0

四谍肤、方向?qū)?shù)

偏導(dǎo)數(shù)的含義是函數(shù)沿坐標(biāo)軸方向的變化率哗伯。而方向?qū)?shù)可以求函數(shù)\color{red}{沿任意方向}的變化率。
假設(shè)這個(gè)方向l與X軸笋颤、y軸、z軸的夾角分別為\alpha, \beta, \gamma赋除,又叫方向角非凌。

  • 假設(shè)有一個(gè)二元函數(shù)為f(x,y)=0举农,它通過點(diǎn)(x_0,y_0)敞嗡。把它寫成參數(shù)形式\left\{ \begin{aligned} x=x_0 +tcos\alpha \\ y=y_0 +tcos\beta \end{aligned} \right.
    方向?qū)?shù)定義為\frac{\partial f}{\partial l}|_{(x_0,y_0)}=\lim_{t \to 0}\frac{f(x_0 +tcos\alpha, y_0 +tcos\beta)-f(x_0,y_0)}{t}
    =f_x(x_0,y_0)cos\alpha+f_y(x_0,y_0)cos\beta
  • 三元函數(shù)的方向?qū)?shù)為\frac{\partial f}{\partial l}|_{(x_0,y_0,z_0)}=f_x(x_0,y_0,z_0)cos\alpha+f_y(x_0,y_0,z_0)cos\beta+f_z(x_0,y_0,z_0)cos\gamma

五棱貌、梯度

某點(diǎn)的梯度方向等于該點(diǎn)$\color{red}{方向?qū)?shù)取最大值的方向}箕肃。
梯度的模等于方向?qū)?shù)的最大值。

計(jì)算方法是 \nabla f(x_0,y_0)=f_x(x_0,y_0)\cdot\vec{i}+f_y(x_0,y_0)\cdot \vec{j}
梯度又叫向量微分算子,或者Nabla算子错森。

六篮洁、條件極值——拉格朗日乘數(shù)法

輔助函數(shù)L(x,y)=f(x,y)+\lambda_1\phi(x,y)+\lambda_2\phi(x,y)
有幾個(gè)條件,就寫幾個(gè)\lambda即可袁波。
分別求x,y,\lambda的一階偏導(dǎo)數(shù),并令其為0篷牌。
這里我雖然講的最少,但是卻是經(jīng)濟(jì)學(xué)中用的最多的。

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