全微分定义的进一步解释

下面来解释全微分定义中的细节,为了方便观看,这里将该定义再抄写一遍:

设函数点的某内有定义,令:

若函数点的 全增量 (Total increment):

可表示为:

其中不依赖于而仅与相关,且:

那么称 可微分 (Differentiable),而称为点的 全微分 (Total differential),此时通常改写为,并记作,即:

下面来解释上述定义中最重要的三点:

  • ,为什么说这是曲面的表达式?
  • ,为什么说这是平面的表达式,也就是曲面在点的全微分的表达式?
  • ,该式又在说什么?
1 是平面,是曲面

已知函数曲面点以及点,如下图所示。

曲面点以及

根据,过点的平面的方程可假设为(之所以这么假设,是因为点的必然过点),如下图所示。

设过点的平面的方程为

如果在点处建立空间坐标系,如下图所示。

点处建立空间坐标系

坐标系中曲面方程为,平面方程为,变换到坐标系后,它们的方程如下表所示(关于这个转换不清楚的,可以再看看《马同学图解微积分(上)》,两者是非常类似的)

在下图中(这里为了方便展示,调整了下点的位置,以及观察的角度)展示了在坐标系下曲面的方程以及平面的方程。

坐标系下,曲面的方程为,平面的方程为

2

改写为,所以该式说的是曲面和全微分之间相差,如下图所示。为了展示方便,下图中没有绘制出坐标系,这不会影响后面的结论。

曲面和全微分相差

接下来解释一下差距的含义,以下图中的一组红点和连线为例。设这组红点在面的坐标为,因为,所以就是点和点的距离。

点和点的距离

根据可知有,所以点逼近点()时,曲面和全微分之间的差值在缩小(),如下图所示。

时,有

这说明越接近点曲面和全微分越相似,且由于,曲面和全微分最相似(与所有过点的平面相比),所以说全微分就是可近似曲面点及其附近图像的平面。关于最相似这一点,同学们还可以参考《马同学图解微积分(上)》中的“”。

3 全微分和切平面

可近似曲面点及其附近图像的平面也称为 切平面 (Tangent plane),该切平面会经过曲面上的点,所以点也称为 切点 (Tangent point),如下图所示。根据上面的分析可知,切平面在坐标系中的方程为,在的方程为,此时才能称为全微分。

切平面以及切点

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