多元微分学
全微分(total differential)
当你同时把好几个输入各推动极小的一点点时,全微分告诉你输出在一阶上移动多少。它是多元的记账法,把每个变量各自的贡献加起来:你改变的每个输入按其偏导数乘以自己那一小步推动输出,然后你只需把这些推动相加。
对 f(x, y),全微分是 df = (partial f / partial x) dx + (partial f / partial y) dy,变量更多时每个变量加一项。把它读成一份食谱:f 的变化约等于 f 对 x 的敏感度乘以 x 的变化,加上对 y 的敏感度乘以 y 的变化。符号 dx 与 dy 是你施加的(微小)独立变化;df 是由此估计出的变化。这与全导数内容相同,只是写成一个可以代数字的公式,而非抽象的线性映射。在无穷小步长的极限下逼近是精确的,对真正小的步长则精确到一阶;误差是步长的二阶量。
全微分是多元情形下误差传播、线性逼近与相关变率的计算核心。工程师测量一个依赖若干不确定输入的量时,用 df 把输入容差换算成输出容差;物理学家用它写出某热力学势随若干状态变量变化时如何改变。每当你看到“半径与高度的微小变化使体积大约改变……”这样的说法,下面做算术的正是全微分。
圆柱体积为 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 改变约 2 pi (5)(10)(0.1) + pi (25)(0.2) = 10 pi + 5 pi = 15 pi。
每个变量贡献其偏导乘以自身的微小变化;这些贡献直接相加。
全微分是一阶估计而非精确变化;它忽略二阶项。对大幅输入变化它可能偏差很大,且仅在函数于该点确实可微时才有效。
又称
另见