全導數(total derivative)
各個偏導只回答某一方向的問題;全導數則一次回答所有方向。它是函數在某點附近的唯一最佳線性逼近——切線在多元情形下的替身。一元導數是一個數(斜率),而 f 在某點的全導數是一個線性映射,一臺接受任意位移向量、返回函數預測變化量的機器。
對標量函數 f(x, y),全導數是偏導排成的行 [partial f / partial x, partial f / partial y];把一小步 (dx, dy) 餵給它就得到 df = (partial f / partial x) dx + (partial f / partial y) dy,即 f 實際變化的最佳線性估計。對向量值映射,這一行就變成完整的雅可比矩陣。其定義性質是:這個線性估計的誤差比步長更快地縮小:當 h -> 0 時 f(a + h) - f(a) - Df(a) h 是 o(|h|)。這個小 o 條件正是多元情形下「可微」的含義,它確實比僅僅擁有偏導更強。
這正是你真正想要的對象。梯度是全導數披上向量外衣的樣子;鏈式法則是全導數的複合(矩陣相乘);誤差傳播、牛頓法以及動力系統的線性化都依賴全導數。把導數看成一個線性映射、而非一堆偏導,是讓多元與向量微積分其餘部分匯成一幅連貫圖景的概念性飛躍。
對於 f(x, y) = x^2 + 3 x y,在 (1, 2) 處的全導數是行 [2x + 3y, 3x] = [8, 3]。一步 (dx, dy) 預測使 f 改變 8 dx + 3 dy;在 (1, 2) 附近這個線性公式以一階逼近真實曲面。
全導數是單個線性映射(這裡是一個行向量),它一次預測每個方向上的變化。
擁有全部偏導並不保證全導數存在;你還需要線性逼近的誤差為 o(|h|)。當偏導在該點附近連續時,可微自動成立——這是常用的充分條件。