这里的解答并不是标准的书面解答,对于一些题目我们会相较书面解答加上一些自己的思考。为了尽量让过程完整不跳步且易懂,这些题目的解答可能会写得略长。
习题 A
我们总假设 是开集, 是一个给定的点。如果不另加说明 将代表一个函数。
考察函数:
试计算 的偏导数并证明 的两个偏导数在 处均不连续但是 在 处可微。
对任意 ,计算得:
我们先证明, 不存在。
考虑沿 (,)方向趋近 。我们有:
我们知道,此时 且 有界,故 ;而 在 附近震荡,故其极限不存在。从而极限 不存在。
从而 在 处不连续。由 的对称性, 在 处也不连续。
故 的两个偏导数在 处均不连续。我们再证明 在 处可微。 由微分的定义,我们只需证明:
由定义,我们有:
从而 。同理,我们有 。
代入求值,我们有:
故 在 处可微。 得证!
考察函数
试计算 在 处所有方向导数并证明 在 不可微。
对方向向量 ,我们计算其对应的在 处的方向导数:
当 时,;
当 时,。
从而:
我们再证明 在 不可微。由上述推导,我们有 ( 的情况,),( 的情况)。
从而:
若 可微,那么 应成立。
可若我们以路径 (,)来趋近 ,这会得到 。故极限不存在,从而 在 不可微。
得证。
函数 在 上的所有偏导数 ()都存在并且它们在 上均有界。证明, 在 上连续。 是否在 上可微?如果是,请证明;否则给出反例。
设 满足 对任意 成立。
我们先证明, 在 上连续。
对任意 ,我们想根据定义证明:对任意 ,都存在 ,使得对任意的 满足 ,我们都有 。
由 是开集,存在 使得 。我们下面证明取 会使得对任意 满足 ,都有 。
取一个 ,考虑将问题归约到连接 和 的线段上。定义 。由链式法则, 可导且其导数为 。
从而:
故:
故 在 处连续。由 的选取是任意的,我们有 在 上连续。
我们再构造满足题设条件的 使得 在 中的至少一个点处不可微。
经典地,考虑 的函数:
由基本的求导法则,容易计算得:
我们先证明 的两个偏导数均在 上有界。 考虑极坐标换元。对任意的 。设 ,其中 ,。当 时我们有
那么:
从而对任意 ,我们都有 。这也就说明 的两个偏导数均在 上有界。
我们再证明 在 处不可微。 若 在 处可微,我们有 。
但:
考虑沿 (其中 ,)的方向趋近 。我们有此时 。
从而 在 处不可微。 得证!
为开集,我们用 来表示 上的坐标。
函数 的偏导数 和 处处存在。如果偏导数 在 上连续。证明, 在 上可微。
取一点 ,我们需要证明 在 处可微。在下面的证明中, 是任意的。
定义关于 的线性函数 。我们想证明 。
考虑优化 的形式。我们有:
对于第一项, 时由导数的定义我们有 ,并且这个估计是不依赖于 的。故存在 使得对任意 ,我们都有 。
对于第二项,由一元函数微分中值定理,存在 使得 。
由 的连续性,存在 使得对任意 ,我们都有 。
从而取 ,对任意 ,我们都有 。故此时 。
故由极限的定义,我们有:
总之, 符合 在 处的可微性的定义,这也就说明 在 处可微。由 的任意性,我们有 在 上可微。得证!
考虑在 上定义的行列式函数
任意给定 ,试计算 。
(如果你可以证明 是可微的,那么可以用上学期第 6 次作业的 ,这也即 在 处的导数为 )
是一个多项式函数,是映射 经有限次加法乘法得到的,自然可微。
由于题目中提到的结论,考虑行列式映射是一个同态及伴随的性质,我们有微分为 ,其中 代表 的伴随矩阵。
(偏导数的计算)计算下列函数的偏导数:
这是直接的计算,让我们直接写出答案:
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我是培淇,我们下期再见!