在解释这些概念的关系和意义之前,需要先对这些概念进行逐一的解释,以方便后续理解。
连续
什么是连续? 光滑就是连续。可光滑又是什么呢?想象有一栋楼,你要在一楼和二楼之间建立一座楼梯,且二层之间的高度差\(H\)保持不变。楼梯阶数越多,楼梯越光滑,对吧?也就是每上一阶,高度的上升越小,楼梯越光滑。当每上一阶楼梯,高度几乎没有变化时,楼梯便达到了真正的光滑。
在一个点处,当自变量进行一个微小的任意变化,若因变量几乎没有变化,称该函数在这一点连续 。
为什么要说任意变化?其实只是强调,因为,变化本来就指任意变化 。还是举上面那个例子:你站在一楼与二楼之间的楼梯上正在上楼,你面前的楼梯每一阶很矮,使得它们很光滑,当你每上一阶楼梯,高度几乎没有变化。可你身后的楼梯每一阶很高,当每下一阶楼梯,高度会发生很大的变化。那么,毫无疑问,楼梯在这一点是不光滑的。
一元函数的任意变化只有两个方向,而多元函数的任意变化有无数个方向,即:
\[\begin{cases} \Delta y^{+}\rightarrow 0 \\ \Delta y^{-}\rightarrow 0 \end{cases} (\Delta x\rightarrow0时) \Rightarrow一元函数连续 \]\[\begin{cases} \Delta z^{方向1}\rightarrow 0\\ \Delta z^{方向2}\rightarrow 0\\ \cdots\cdots(\rightarrow方向\infty) \end{cases} \left( \begin{cases} \Delta x\rightarrow0\\ \Delta y\rightarrow0 \end{cases} 时\right) \Rightarrow多元函数连续 \]
可导与可微
对一元函数来说,可导指存在导数,可微指存在微分。 对多元函数来说,可导指存在偏导数,可微指存在全微分。 所以,为什么在一元函数中可导一定连续,在多元函数中可导不一定连续呢?定义的错啊!
一般来说,提到导数就会想起变化率。其实从另一个角度,可以说导数是变化率的统一 。可不可导是描述变化率能不能统一的性质。
举个例子。对某个一元函数,在\(x_0\)点,向正方向有一个变化率\(bh^+\),向负方向有一个变化率\(bh^-\),假若有\(bh^+\not=bh^-\),那么在该点没有导数。
一元函数在一点的变化率只有两个方向,而对多元函数有无数个。为了便于研究,人们提取了其中沿\(x\)轴和沿\(y\)轴两个方向的统一变化率称为偏导数,但可微变成了表示全微分存在的概念,所谓全,即为所有方向的变化率的统一。即:
\[\begin{cases} f'^{x+}=f'^{x-}\\ f'^{y+}=f'^{y-} \end{cases} \Rightarrow多元函数可导 \]\[\begin{cases} f'^{方向1}=f'^{方向2}\\ f'^{方向2}=f'^{方向3}\\ \cdots\cdots(\rightarrow方向\infty) \end{cases} \Rightarrow多元函数可微 \]
多元函数中连续,可导,可微,偏导数连续的关系及意义
首先很容易看出,可微是一个比可导更强的条件,因为它需要达成一个更为广阔的统一。即:
\[\begin{cases} 可微\Rightarrow可导\\ 可导\nRightarrow可微 \end{cases} \]又因为有全微分:
\[\Delta z=\frac{\partial z}{\partial x}\Delta x+ \frac{\partial z}{\partial y} \Delta y +o(\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2}) \]所以,只要对应的变化率存在,就能使得\(\Delta y\rightarrow 0 ,(\Delta x\rightarrow 0时)\)。
假若可微,
\[多元函数可微\Rightarrow \begin{cases} f'^{方向1}=f'^{方向2}=c\\ f'^{方向2}=f'^{方向3}=c\\ \cdots\cdots(\rightarrow方向\infty) \end{cases} \]很容易证明对应的变化率都存在。不过,连续,并不一定能达成所有方向上变化率的统一,比如,连续要求当自变量进行一个微小的任意变化,因变量几乎没有变化 。而这个几乎没有变化中的微小变化,可以任意改变方向,假设这个微小量为\(g\),令新的微小量为\(-g\),仍然是连续的。可是这时,函数已经不可微了,甚至不可导了。即:
\[\begin{cases} 可微\Rightarrow连续\\ 连续\nRightarrow可微 \end{cases} \]对于可导,只提了\(x\)轴和\(y\)轴方向上的变化率,对于其他的变化率只字未提,要是哪个方向上变化率不存在呢?可知可导不一定连续。 还有,上已说过,连续不一定可导,即:
\[\begin{cases} 可导\nRightarrow连续\\ 连续\nRightarrow可导 \end{cases} \]最后在说偏导数连续。假定选择一点\(z_0\),在该点的一个小邻域内偏导数连续。如上所说,在一个点处,当自变量进行一个微小的任意变化,若因变量几乎没有变化,称该函数在这一点连续 。那么,可知,此时,当自变量进行一个微小的任意变化,偏导数几乎没有变化。又因为在一个小邻域内,则可认为:在整个小邻域内,偏导数几乎一致不变。
已知,只要达成所有方向上变化率的统一,该点即为可导。假定在\(z_0\)点的一个小邻域内,有一个任意的点\(z_e\),使得\(z_0\rightarrow z_e\)呈任意方向,那么只要此时的变化量是不变的一个量,可证\(z_0\)处可微。
无论\(z_e\)在\(z_0\)的什么方向上,设定\(z_e\)在\(z_0\)的\(y\)轴方向上的投影\(z_{ey}\), 则 \(z_0 \rightarrow z_{ey}\)沿\(y\)轴方向,\(z_{ey}\rightarrow z_e\)沿\(x\)轴方向。则:
\[z_0\rightarrow z_e \Rightarrow \begin{cases} z_0\rightarrow z_{ey}\\ z_{ey}\rightarrow z_e \end{cases} \]即:
由于在整个小邻域内,偏导数几乎一致不变, 所以\(z_0\)和\(z_x\)处沿x轴方向的变化率几乎一致不变,且又有\(z_{ey}\rightarrow z_e\)沿\(x\)轴方向,则设\(z_e\)在\(z_0\)的\(x\)轴方向上的投影为\(z_{ex}\),有:\(z_{ey}\rightarrow z_e\)的结果与\(z_0\rightarrow z_ex\)几乎一致不变。
上图中的情况与之完全等效。
这样的结果就是:
\[z_0\rightarrow z_e \Rightarrow \begin{cases} z_0\rightarrow z_{ey}\\ z_0\rightarrow z_{ex} \end{cases} \]所以,可知,无论\(z_0\rightarrow z_e\)的方向如何,变化率始终只由\(\frac{\partial z_0}{\partial x}\)和\(\frac{\partial z_0}{\partial x}\)决定,是一个统一的值。而可微时,偏导数并不一定可导,即:
\[\begin{cases} 偏导数可导\Rightarrow连续\\ 连续\nRightarrow偏导数可导 \end{cases} \]