设某曲面的函数为,为了寻找该曲面在点的微分,出于简化计算的目的,一般会借助位于该曲面上,且
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过点、平行于轴的空间曲线,如下图中的红色曲线
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过点、平行于轴的空间曲线,如下图中的蓝色曲线
这两根曲线在点的,即下图中的黑色直线,显然是不重合的。在数学中,它们分别被称为曲面在点,及曲面在点,或笼统地称为曲面在点的 偏微分 (Partial differential)。
要求出上述两条曲线的微分,需要先引入一个定义:
若如下极限存在,则该极限称为函数在点,记作:
或若如下极限存在,则该极限称为函数在点,记作:
上述两个极限也笼统地称为函数在点的 偏导数 (Partial derivative)。
下面来解释上述定义,这也是在展示偏微分的求解过程。容易理解,平面与曲面的交线,就是过点、平行于轴的空间曲线,如下图所示。根据,所以该空间曲线的方程为。
该空间曲线在平面上,所以可看作面上的平面曲线,如下图所示。从代数上讲,将代入就得到了该平面曲线的函数,这是一个单变量函数。
上面两图展示了从空间曲线到平面曲线,其中只是坐标系发生了变化,曲线本身没有变化,所以平面曲线在点的就是空间曲线在点的,也就是曲面在点对的偏微分,如下图所示。
该偏微分的斜率就是上述定义中提到的在点对的偏导数,结合上,所以:
同理可得在点对的偏导数为:
根据,平面曲线在点的为,这是在点建立的坐标系过原点的直线,如下图所示(还有不清楚的,可以查看《马同学图解微积分·上》中的的讲解)。
若在空间中的建立坐标系,如下图所示。
将变换到坐标系下,空间曲线在点的微分,也就是曲面点对的偏微分,这是在平面(即之前的平面)上的直线,如下图所示。
所以,空间曲线在点的微分,也就是曲面点对的偏微分为:
同理,空间曲线在点的微分,也就是曲面点对的偏微分为: