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偏微分

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數學中,偏微分(英語:partial derivative)的定義是:一個多變量的函數(或稱多元函數),對其中一個變量(導數微分,而保持其他變量恆定[註 1]

偏微分的作用與價值在向量分析微分幾何以及機器學習領域中受到廣泛認可。

函數關於變量的偏微分寫為偏微分符號是全微分符號的變體,由阿德里安-馬里·勒壤得引入,並在雅可比的重新引入後得到普遍接受。

簡介

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f = x2 + xy + y2的圖像。我們希望求出函數在點(1, 1)的對x的偏微分;對應的切線與xOz平面平行。
這是上圖中y = 1時的圖像片段。

假設ƒ是一個多元函數。例如:

因為曲面上的每一點都有無窮多條切線,描述這種函數的導數相當困難。偏微分就是選擇其中一條切線,並求出它的斜率。通常,最感興趣的是垂直於y軸(平行於xOz平面)的切線,以及垂直於x軸(平行於yOz平面)的切線。

一種求出這些切線的好辦法是把其他變量視為常數。例如,欲求出以上的函數在點(1, 1)的與xOz平面平行的切線。右圖中顯示了函數的圖像以及這個平面。左圖中顯示了函數在平面y = 1上是什麼樣的。我們把變量y視為常數,通過對方程式求導,我們可以發現f在點(x, y)的導數,記為:

於是在點(1, 1)xOz平面平行的切線的斜率是3。

在點(1, 1),或稱「f(1, 1)的關於x的偏微分是3」。

定義

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函數f可以解釋為y為自變數而x為常數的函數:

也就是說,每一個x的值定義了一個函數,記為fx,它是一個一元函數。也就是說:

一旦選擇了一個x的值,例如a,那麼f(a,y)便定義了一個函數fa,把y映射到a2 + ay + y2

在這個表達式中,a常數,而不是變量,因此fa是只有一個變量的函數,這個變量是y。這樣,便可以使用一元函數的導數的定義:

以上的步驟適用於任何a的選擇。把這些導數合併起來,便得到了一個函數,它描述了fy方向上的變化:

這就是f關於y的偏微分,在這裡,∂是一個彎曲的d,稱為偏微分符號。為了把它與字母d區分,∂有時讀作「der」、「del」、「dah」或「偏」,而不是「dee」。

一般地,函數f(x1,...,xn)在點(a1,...,an)關於xi的偏微分定義為:

在以上的差商中,除了xi以外的所有變量都是固定的。這個固定值的選擇決定了一個一元函數,根據定義,

這個表達式說明了偏微分的計算可以化為一元導數的計算。

多變量函數的一個重要的例子,是歐幾里德空間Rn(例如R2R3)上的純量值函數f(x1,...xn)。在這種情況下,f關於每一個變量xj具有偏微分f/∂xj。在點a,這些偏微分定義了一個向量:

這個向量稱為f在點a梯度。如果f在定義域中的每一個點都是可微的,那麼梯度便是一個向量值函數f,它把點a映射到向量f(a)。這樣,梯度便決定了一個向量場

一個常見的符號濫用是在歐幾里得空間R3中用單位向量 來定義Nabla算子 (∇) 如下:

或者,更一般地,對於n維歐幾里得空間Rn 的坐標(x1, x2, x3,...,xn)和單位向量():

例子

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圓錐的體積與它的高度和半徑有關

考慮一個圓錐體積V;它與高度h半徑r有以下的關係:

V關於r的偏微分為:

,它描述了高度固定而半徑變化時,圓錐的體積的變化率。

V關於h的偏微分為:

,它描述了半徑固定而高度變化時,圓錐的體積的變化率。

現在考慮V關於rh全微分。它們分別是:

以及

現在假設,由於某些原因,高度和半徑的比k需要是固定的:

這便給出了關於r的全微分:

可以化簡為:

類似地,關於h的全微分是:

含有未知函數的偏微分的方程式,稱為偏微分方程式,它在物理學工程學,以及其它應用科學中經常會見到。

與關於rh二者相關的全微分是由雅可比矩陣給出的,它的形式為梯度向量

記法

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在以下的例子中,設fxyz的函數。

f的一階偏微分為:

二階偏微分為:

二階混合偏微分為:

高階偏微分為:

當處理多變量函數時,有些變量可能互相有關,這樣就需要明確指定哪些變量是固定的。在諸如統計力學的領域中,f關於x的偏微分,把yz視為常數,通常記為:

正式定義和性質

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像導數一樣,偏微分也是定義為一個極限。設URn的一個開子集f : UR是一個函數。我們定義f在點a = (a1, ..., an) ∈ U關於第i個變量xi的偏微分為:

即使在某個給定的點a,所有的偏微分f/∂xi(a)都存在,函數仍然不一定在該點連續。然而,如果所有的偏微分在a的一個鄰域內存在並連續,那麼f在該鄰域內完全可微分,且全微分是連續的。在這種情況下,我們稱f是一個C1函數。

偏微分可以視為定義在U內的另外一個函數,並可以再次求偏微分。如果所有的混合二階偏微分在某個點(或集合)連續,我們便稱f為在該點(或集合)的一個C2函數;在這種情況下,根據克萊羅定理,偏微分可以互相交換:

參考文獻

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  • George B. Thomas & Ross L. Finney. Calculus and Analytic Geometry. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. 1994: 833–840. ISBN 0-201-52929-7. 

注釋

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  1. ^ 相對於全微分,在其中所有變量都允許變化

參見

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