多元微分學

全微分(total differential)

當你同時把好幾個輸入各推動極小的一點點時,全微分告訴你輸出在一階上移動多少。它是多元的記賬法,把每個變量各自的貢獻加起來:你改變的每個輸入按其偏導數乘以自己那一小步推動輸出,然後你只需把這些推動相加。

對 f(x, y),全微分是 df = (partial f / partial x) dx + (partial f / partial y) dy,變量更多時每個變量加一項。把它讀成一份食譜:f 的變化約等於 f 對 x 的敏感度乘以 x 的變化,加上對 y 的敏感度乘以 y 的變化。符號 dx 與 dy 是你施加的(微小)獨立變化;df 是由此估計出的變化。這與全導數內容相同,只是寫成一個可以代數字的公式,而非抽象的線性映射。在無窮小步長的極限下逼近是精確的,對真正小的步長則精確到一階;誤差是步長的二階量。

全微分是多元情形下誤差傳播、線性逼近與相關變率的計算核心。工程師測量一個依賴若干不確定輸入的量時,用 df 把輸入容差換算成輸出容差;物理學家用它寫出某熱力學勢隨若干狀態變量變化時如何改變。每當你看到「半徑與高度的微小變化使體積大約改變……」這樣的說法,下面做算術的正是全微分。

圓柱體積為 V = pi r^2 h,故 dV = 2 pi r h dr + pi r^2 dh。取 r = 5、h = 10,把 r 增加 dr = 0.1、h 增加 dh = 0.2,使 V 改變約 2 pi (5)(10)(0.1) + pi (25)(0.2) = 10 pi + 5 pi = 15 pi。

每個變量貢獻其偏導乘以自身的微小變化;這些貢獻直接相加。

全微分是一階估計而非精確變化;它忽略二階項。對大幅輸入變化它可能偏差很大,且僅在函數於該點確實可微時才有效。

又稱
differential微分微分