§8.5 多元复合函数求导法则(链式法则)
概述
对于抽象复合函数(f 无具体表达式),需要用链式法则。这是期末与考研必考题。关键是画出变量关系图。
抽象函数记号约定:
- f1′ 或 fx′:对第一个位置变量求偏导
- f2′ 或 fy′:对第二个位置变量求偏导
- f11′′:对第一个位置变量求两次偏导
- f12′′:先对第一个再对第二个
§8.5.1 三种复合情形与链式法则
情形一:多元与一元的复合(全导数)
z=f(u,v),u=φ(x),v=ψ(x),则 z=f(φ(x),ψ(x)) 是 x 的一元函数:
dxdz=∂u∂z⋅dxdu+∂v∂z⋅dxdv
或称全导数。
推论(中间变量多于两个):
dxdz=∂u∂zdxdu+∂v∂zdxdv+∂w∂zdxdw
例1:z=x2−y2,x=sint,y=cost,求 dtdz
dtdz=2xcost−(−2y)(−sint)=4sintcost=2sin2t
例2(抽象函数):z=f(sint,cost),f 可微,求 dtdz
dtdz=f1′⋅cost+f2′⋅(−sint)=cost⋅f1′(sint,cost)−sint⋅f2′(sint,cost)
特殊情形:x 既是自变量又是中间变量
z=f(u,x), u=φ(x)⟹dxdz=∂u∂f⋅dxdu+∂x∂f
例:z=f(t2,t),dtdz=f1′⋅2t+f2′
最简情形:z=f(x,x) → dxdz=f1′(x,x)+f2′(x,x)
情形二:多元与多元的复合
z=f(u,v),u=φ(x,y),v=ψ(x,y),则:
∂x∂z=∂u∂z⋅∂x∂u+∂v∂z⋅∂x∂v
∂y∂z=∂u∂z⋅∂y∂u+∂v∂z⋅∂y∂v
例3:z=f(xy,x+y),f 可微,求 ∂x∂z,∂y∂z
∂x∂z=yf1′+f2′,∂y∂z=xf1′+f2′
注:当 x 同时是自变量和中间变量时:
z=f(u,x,y),u=φ(x,y)
∂x∂z=∂u∂f⋅∂x∂u+∂x∂f
例4:z=f(ysinx,x),∂x∂z=f1′⋅ycosx+f2′,∂y∂z=f1′⋅sinx
情形三:一元与多元的复合
z=f(u),u=φ(x,y),则:
∂x∂z=f′(u)⋅∂x∂u,∂y∂z=f′(u)⋅∂y∂u
例5:z=f(x2+y2),f 可微,求偏导数
∂x∂z=f′⋅2x,∂y∂z=f′⋅2y
§8.5.2 复合函数的高阶偏导数(核心难点)
关键提醒
f1′(或 fu′)仍然是复合函数,与 f 有相同的复合结构**!求二阶导时不能遗漏对 f1′ 再使用链式法则。**
典型例题
例6:z=f(xy,x+y),f 具有二阶连续偏导数,求 ∂x∂y∂2z
∂x∂z=yf1′+f2′
∂x∂y∂2z=∂y∂(yf1′+f2′)=f1′+y(f11′′⋅x+f12′′⋅1)+(f21′′⋅x+f22′′⋅1)=f1′+xyf11′′+(y+x)f12′′+f22′′
例7:z=f(xy,xy),求二阶偏导 ∂x2∂2z,∂y2∂2z,∂x∂y∂2z
∂x∂z=yf1′−x2yf2′
∂y∂z=xf1′+x1f2′
∂x2∂2z=y2f11′′−x22y2f12′′+x4y2f22′′+x32yf2′
例8:z=x3f(xy,xy),求二阶偏导
∂x∂z=3x2f+x3(yf1′−x2yf2′)=3x2f+x3yf1′−xyf2′
§8.5.3 全微分形式不变性
性质:无论 u,v 是自变量还是中间变量,z=f(u,v) 的全微分形式不变:
dz=∂u∂zdu+∂v∂zdv=fu′du+fv′dv
应用方法:逐层微分
对复合函数,直接从外层向内层逐层微分:
z=f(u,v),u=φ(x,y),v=ψ(x,y)
dz=fu′du+fv′dv=fu′(uxdx+uydy)+fv′(vxdx+vydy)
然后合并 dx,dy 的系数即得 ∂x∂z,∂y∂z。
例9:F(x,y,z)=0 确定 z=z(x,y),求 ∂x∂z,∂y∂z
dF=Fxdx+Fydy+Fzdz=0,解得 dz=−FzFxdx−FzFydy
故 ∂x∂z=−FzFx,∂y∂z=−FzFy
四、齐次函数的欧拉定理
若 f(tx,ty,tz)=tkf(x,y,z)(k 次齐次函数),则:
x∂x∂f+y∂y∂f+z∂z∂f=kf
关键词汇总
| 情形 | 公式 |
|---|
| 多元→一元(全导数) | dxdz=∂u∂zdxdu+∂v∂zdxdv |
| 多元→多元 | ∂x∂z=∂u∂z∂x∂u+∂v∂z∂x∂v |
| 一元→多元 | ∂x∂z=f′(u)∂x∂u |
| 全微分不变性 | dz=fu′du+fv′dv(无论 u,v 是否为中间变量) |
| 隐函数求导 | F(x,y,z)=0⟹∂x∂z=−FzFx |
| 欧拉定理 | x∂x∂f+y∂y∂f=kf(k 次齐次) |
| 关键技巧 | f1′,f2′ 仍是复合函数,二阶导需再次链式法则 |