多元微分學

隱函數定理(作為工具)(implicit function theorem, as a tool)

像 F(x, y) = 0 這樣的方程描出一條曲線,但它很少允許你用代數把 y = (x 的某式)孤立出來。隱函數定理回答了一個實用問題:即便無法顯式求解,你能否在曲線上某給定點附近,仍把 y 當作 x 的一個良定義的光滑函數?而且它在你從未找到公式的情況下,把那個隱藏函數的導數交到你手裡。

條件只需一項檢查。在某 F = 0 的點附近,若 F 連續可微,且 F 關於你想求解的那個變量的偏導數在那裡非零,那麼局部上該變量是其餘變量的光滑函數,方程可以在一個鄰域內對它求解。對 F(x, y) = 0 且 partial F / partial y 不為零,y 局部為 y(x),對 F(x, y(x)) = 0 用鏈式法則求導直接給出斜率:dy/dx = -(partial F / partial x) / (partial F / partial y)。一般版本完全相同,只是把那唯一的非零偏導換成一個可逆的雅可比塊,於是你恰好能在那個雅可比非奇異之處,把一組方程對若干變量求解、用其餘變量表示。

作為工具,這個定理時刻做著三件事。它為隱函數求導提供依據(只要分母偏導不為零,你就可以對一個無法求解的關係寫出 dy/dx)。它定位曲線與曲面在何處真正是圖像、在何處折回自身(失效點,即 partial F / partial y = 0 之處,恰是曲線有豎直切線或奇異之處)。它還是換元、優化中約束流形、以及經濟學與物理中平衡分析背後的主力——凡是你需要知道某個量被隱式決定、以及它對一次微推如何響應之處。

在圓 x^2 + y^2 = 1 上,設 F = x^2 + y^2 - 1。則 partial F / partial y = 2y,除 y = 0 處外都非零。在那兩點之外,y 局部是 x 的函數,且 dy/dx = -(2x)/(2y) = -x/y——恰是隱函數求導的答案。

定理恰在 partial F / partial y = 0 之處失效——在 (1, 0) 與 (-1, 0),圓有豎直切線。

該定理純屬局部、且只是存在性論斷:它保證在某鄰域上存在一個光滑的求解函數,卻不給公式、不給全局解。多個分支(如圓的上半與下半)無法被同一個局部函數捕獲。

又稱
IFT隐函数定理隱函數定理