多元微分学

多元可微性(differentiability in several variables)

一元情形里,“可微”不过是说图像有切线。多元情形下诚实的含义是:图像有一张切平面(或切平直空间),它紧贴曲面,以至于二者之间的缝隙比你离开该点的速度更快地消失。这是对良好局部行为的真正承诺,远强于“恰好存在几个偏导”这一记账事实。

确切地说,f 在点 a 处可微,是指存在一个线性映射 L(它必然就是全导数),使得当 h -> 0 时 f(a + h) - f(a) - L(h) 为 o(|h|)——把残余误差除以步长 |h|,无论 h 朝哪个方向都趋于零。两个事实使这成为正确的定义。其一,可微蕴含连续,并蕴含所有方向导数线性地表现(沿方向 u 的方向导数就是梯度与 u 的点积)。其二,它严格强于拥有偏导:函数可以在某点两个偏导都存在,却在那里不可微,因为逼近只沿坐标轴良好,而在斜方向上失败。

你真正会用到的主力充分条件是:若所有偏导在该点的某邻域内都存在且连续(这样的函数称为连续可微,或 C^1),则 f 在那里可微。由于几乎每个由多项式、指数、正弦、对数搭出的公式在其定义之处都是 C^1,可微通常自动成立——你只在拼接点、尖角、或分母为零之处才需要停下来思考。

设 f(x, y) = xy / (x^2 + y^2) 且 f(0, 0) = 0。原点处两个偏导都为 0,于是粗心的学生宣称它可微。但 f 在 (0, 0) 处甚至不连续,因此不可能可微——这证明仅有偏导是不够的。

偏导可以都存在且为零,而函数却不连续——可微性排除了这种情况。

偏导连续是可微的充分而非必要条件。函数可以在偏导不连续的点处仍可微(一个标准但少见的例子),所以 C^1 只是方便的捷径,并非定义本身。

又称
total differentiability全可微全可微