微分符号,dx,dy到底是什么含义?

微分符号,dx,dy到底是什么含义?

先说结论:“微分”是微小变化量的线性主部。为了说明“线性主部”的概念,以及理解它和微小变化量自身的区别,我们先看一道题:

下面的函数图像上,在 处, 和 的大小关系是什么?

很显然,我们有 ,这是因为附近,函数图像在切线上方。

这里我们就发现了一个问题:微分不是指微小变化量的近似。由于和是不相等的,所以不能代表的微小变化量。同样,不能代表的微小变化量。也就是说,微分代表接近于零的微小变化量是错的!

那么,微分代表什么呢?

如果我们用切线代表的线性函数来近似原来的函数,那么和就是成正比的关系了,这一比例系数就是导数。既然微分体现的是线性函数近似,我们就可以引入线性主部的概念:比如图中的函数 ,它的切线是 ,这一切线函数的变化量,就是线性主部。

利用微分和导数的关系,我们发现微分就是变化量的线性主部。

这件事告诉我们,也是不能直接导出的。这会让人认为,微分和导数是一回事。也就是说,形式不变性不是一个平凡的性质!!!

这样,我们也从微分的角度理解了导数的定义。

如果我们把“导数”换成“偏导数”,我们就会发现一个看起来很奇怪的东西:既然一元可导函数一定可微,那么为什么多元可偏导函数为什么不一定可微?

实际上,你看下多元函数的微分定义的适用条件是函数可微(而不是可偏导),就知道微分和导数是两个不同的概念了。

就以最常见的二元函数为例,它也是有图像的。不同于一元函数,它的图像有多种不同的表现形式。

首先,我们可以用曲面 来表示二元函数的图像。

虽然教材没有在二元函数的章节画过这一类图像,但是在“空间解析几何”里面,我们就已经在平面和二次曲面里接触过二元函数的图像了。

比如下面的椭圆抛物面 ,或者平面 ,都属于二元函数图像的范畴。

其次,这张图上的彩色,也可以成为一个二元函数图像——这就是各种各样的“彩图”。

我们知道,一元函数中,微分代表着切线代表的线性函数近似;而二元函数中,微分也代表线性函数。由于二元线性函数 的图像是一个平面,因此二元微分是用切平面近似。

在二元函数中,线性主部就要写成。一元函数可导,意味着切线的斜率存在,而切线的存在就意味着可微;而二元函数可偏导,只意味着有偏切线,换句话说 只在 和 其中有一个非零是才成立,而两者都不为零时就不成立了。

比如大家喜闻乐见的 :

由于 与 有关,因此 不存在,函数在 不连续,因此不可微。但是由于两个偏函数 ,因此两个偏导数都存在,而图像上也可以观察到,函数在 不连续,而平面 也不是 图像的切平面。

因此, 也不适用了。

从偏导数的几何意义来看,它只保证偏函数(或者)有切线,不保证有切平面,这就导致了,二元函数可偏导不一定可微。

说到这里,我们就发现了一件事:“ 在 可偏导但不可微”描述了一个很抽象的东西,但是一旦它转化为具体的 的图像,“可偏导但不可微”这件事代表什么,就一目了然了。

这,就是几何直观的强大之处,它可以帮助你理解微分的定义。相信大家看到这里,也有很多感触了,你认为这对你的数学学习有什么样的帮助呢?欢迎提出你的见解。