回顾:
一元复合函数
其求导有链式法则:
画出函数关系图:
,可见从
到
有一条路径,所以结果是 1 项的和,每一段路径(对应一个导数)乘起来。
这个规则推广到多元复合函数也是适用的。本篇就来讲一讲这个基本方法,掌握了它各种多元复合函数求导,包括各种隐函数求导,无论多复杂都手到擒来。
一. 基本步骤
非常简单:
(1)先理清函数关系,画出函数关系图;
(2)按照规则写出式子(有几条路径就是几部分的和,路径的每段对应的导数用乘法连起来)。
剩下的就只是计算,还要注意一元函数关系用直立的导,多元函数关系用偏导;还有通常的二元函数或多元函数(非隐函数,方程式才隐含隐函数),比如
, 其中的
是相互独立的,即
, 也即通常求偏导时,将其余变量当常数对待。
很多学生追求题海战术,往往忽略第一步,结果做了大量的题目,遇到难题还是不会。
二. 若干例子
下面通过几个例子来阐述。
例1
, 求
.
解:(1)分析函数关系,
是
的函数,
是
的函数
,据此画出函数关系图:
(2)按规则写出式子
到
有两条路径:
直接到
,
先到
再
到
(计算略)
注意:上式两个
的含义是不同的,左端的
是整个函数关系中的偏导关系,而右端的
只是这个分支路径的偏导关系,只考虑
对
的偏导,将
当常数对待。
说明:整个函数关系是指“复合之后
只是
的二元函数(不含中间变量)”,即
而将整个函数关系(含中间变量)表示成的上图,是对整个函数关系的一种分解,分解之后每部分关系都是相对独立的关系(不再混杂不清),即
故在按函数关系图写出式子时,不需要再考虑混杂关系,只需要按规则写即可。
例2 隐函数求导也一样,除了时刻注意到隐含的函数关系。比如,
,求
.
解:(1)
隐含了函数关系
. 【当然,根据问题需要,它也可以隐含函数关系:
】
先画出函数关系图(
是
的函数,
是
的函数):
为了求
,两边同时对
求导,注意隐含的函数关系
.
按规则写出式子:
(2) 再求二阶偏导,按定义二阶偏导就是对一阶偏导结果,再求一次一阶偏导
,代入
画出函数关系图,注意
的地位与
是相同的,仍有相同的函数关系:
所以,上式先是商式求导,再注意到上图的函数关系,正常计算即可(略)。
例3 设
有二阶连续偏导,已知方程
, 求
.
解:(1)先理清函数关系
是方程式,所以这是个隐函数,其中有
,所以实际上是
, 它隐含的函数关系是
.
要求
, 那就是全微分公式,需要先求
又
中的两个位置变量带表达式,所以,先引入中间变量(复合函数)简化关系,令
, 则方程式变为
画函数关系图(别忘了隐函数关系):
(2) 方程式两边
同时对
求导,按照上图和规则写式子:
到
共有 3 条路径:
到
到
,
到
到
到
,
到
到
到
. 故
是自己引入的中间变量,不是原题目里的,按照约定用位置下标来写,即计算上式得
可解出
同理,方程两边同时对
求导,可推得
(3) 于是,由全微分公式,可得
例4 方程组
分析:若从
解出
再代入
可得
, 该隐函数可隐含函数关系
; 同理,若先从第1个方程解出
再代入第2个方程,可确定隐函数函数关系
.
故该方程组隐含两个二元函数关系:
那么就可以求
.
画出函数关系图:
原方程组两边同时对
求导,根据上图和规则可得
即
解这个关于
的二元一次方程组,即可求得
.
同理,原方程组两边同时对
求导,解方程组可求得
.
总结:以上就是多元复合(隐)函数(无论有表达式还是无表达式)求导(包括求一阶、二阶导)的基本方法,通过一两道题掌握了这个基本方法,不用搞题海战术,这类题也都能轻松解决。
主要参考文献
高等数学,同济版。
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