多元复合函数的求导法则

这里我们推导多元复合函数的求导法则。需要注意的是,多元复合函数,有多少个中间变量,就应该有多少项。推导的方法与一元复合函数差不多。

1,一般情形,两个中间变量, 两个自变量:设 z=f(u,v),u=g(x,y),v=h(x,y)f,g,h 可微,则

fx=fuux+fvvx=fugx+fvhxfy=fuuy+fvvy=fugy+fvhy

2,两个中间变量,一个自变量:设 z=f(u,v),u=g(t),v=h(t),则

dzdt=fududt+fvdvdt=fug(t)+fvh(t)

3,函数中既有自变量,又有中间变量,自变量只有一个:z=f(t,u,v),u=g(t),v=h(t),那么

dzdt=ft+fududt+fvdvdt=ft+fxg(t)+fyh(t)

4,函数中既有自变量,又有中间变量,自变量有两个:w=f(x,y,z),z=g(x,y),那么

wx=fx+fzgx=fx+fzgxwy=fy+fzgy=fy+fzgy

我们仅仅证明第二种情况,其它情形类似,只是稍微烦琐些。

2 的证明:因为

dzdt=limΔt0ΔzΔt

因为 f 可微, 所以Δz=fuΔu+fvΔv+o(ρ)这里 ρ=Δ2u+Δ2v。所以可以得到ΔzΔt=fuΔuΔt+fvΔvΔt+o(ρ)Δt

又因为 g,h 可微,并且 limΔu0o(ρ)Δu=0,limΔv0o(ρ)Δu=0 所以 limΔt0o(ρ)Δt=limΔt0o(ρ)/ΔuΔt/Δu=0 这是因为分母的极限为 1/g(t)

所以当 Δt0 时,limΔt0ΔzΔt=limΔ0(fuΔuΔt+fvΔvΔt+o(ρ)Δt)=fududt+fvdvdt

我们来看几个例题。

例1,设 z=eu2+2uvv2,u=2xy,v=x+2y,求 zx,zy

解:这是复合函数的第一种情况,所以 zx=fuux+fvvx=(2u+2v)eu2+2uvv22+(2u2v)eu2+2uvv21=eu2+2uvv2(4u+4v+2u2v)=(6u+2v)eu2+2uvv2

zy=fuuy+fvvy=(2u+2v)eu2+2uvv2(1)+(2u2v)eu2+2uvv22=eu2+2uvv2(2u2v+4u4v)=(2u6v)eu2+2uvv2

例2,设 z=sin(xy)+ex+2y,x=sint,y=cost,求 dzdt

解:这是第二种情况,所以

dzdt=fxdxdt+fydydt=ycos(xy)cost+xcos(xy)(sint)=cos(xy)(cos2tsin2t)=cos2tcos(xy)

例3,设 z=ln(t+x2+y2),x=sint,y=cost,求 dzdt

解:这是第三种情形。所以

dzdt=ft+fxdxdt+fydydt=1t+x2+y2+2xt+x2+y2cost+2yt+x2+y2(sint)=1t+x2+y2(1+2sintcost2costsint)=1t+x2+y2

例4,设 w=ex2+y2+z2,z=ln(x2+2xyy2),求 wx,wy

解:这是第四种情形的复合函数。我们有

wx=fx+fzzx=2xex2+y2+z2+2zex2+y2+z22x+2yx2+2xyy2

wy=fy+fzzy=2yex2+y2+z2+2zex2+y2+z22x2yx2+2xyy2