多元函数中全微分与偏导数、偏微分的直观区别是什么?
在多元的情况下,可微可导的关系要比在一元情况下复杂,但是只是要复杂一些,如果我们从一元开始去理解,你会发现并不困难。
全导数这里暂时不讲,看名字好像和全微分关系很大,其实和“方向导数”的关系更大,所以留到讲“方向导数”的时候再一起来说。
关于微分就是切线,我写的很多文章(比如我最近的如何通俗解释全微分?)都希望大家可以理解这一点,虽然要严格讲清楚需要微分几何、流型的知识,但是我认为掌握了这一点对于我们学习微积分很有帮助。
我们发挥一下空间想象力,把它从平面中拽出来,进入三维空间:
之前是平面曲线,现在是空间曲线。切线仍然是切线,微分仍然是微分。
我们再想象一下,其实这个空间曲线是这个空间平面与这个空间曲面的交线:
我们就把这个切线称为对于的偏微分。为什么是对于的呢?因为这是与的交线,在这条线上无论点怎么变化,都要满足,即是常数不会变化。
你来玩玩下面这个互动操作就知道了,点在线上变化只会改变和:
理解了这个,就可以举一反三,所有(为常数)的平面与的交线都是满足刚才说的特点:
这些交线上的点的切线都是关于的偏微分。
当然,如果与(为常数)得到的交线,这些交线的切线就是关于的偏微分。
偏微分理解了偏导数就好理解了,就是偏微分的斜率,现在你应该可以明白为什么我们在求对于的偏导数的时候,我们把当作常数来看待了吧。
只是有一点需要说明,在三维空间中角度可以有不同的定义,计算斜率的时候我们是看下面这个角:
其实,不光是或者这样的平面可以和相交得到交线,所有和平面垂直的平面都相交得到交线,这些交线都会有切线(微分):
总之,应该是360°无死角,自己动手试试:
如果这些切线都存在,并且这些切线(无数条)还都在同一个平面上(平面不是曲面),那么得到的这个平面就是全微分(也叫做切平面,或者说切空间):
根据全微分的定义,如果全微分存在,那么偏导数、偏微分一定存在。
但是反过来不一定成立,即偏导数、偏微分存在,全微分不一定存在。因为偏导、偏微分只是或者方向的导数、微分,而全微分要求的是360°无死角。
举个例子,看这个:
我们考察这个函数在点的全微分和偏微分的情况。
在点的微分(切线)很明显,就是交线自身,因此关于的偏微分存在。
但是与的交线是:
在点形成了一个尖点,很显然此时的微分不存在:
因此,全微分不存在。
总结,全微分与偏导数、偏微分的关系: