本课导读
曲面上站着问"这里的斜率是多少",问题本身就有歧义——朝东走和朝北走的坡度可以完全不同。偏导数的解决方案朴素而聪明:一次只问一个方向。朝 x 方向的斜率叫 ∂x∂f,朝 y 方向的叫 ∂y∂f。计算上更是好消息:把另一个变量当常数冻住,用你练了多年的单变量求导手艺照常开工。本课打通定义、计算与几何画面——它是 S7 下半场(切平面、链式法则、梯度、极值)人人要用的地基。预计 45 分钟。
说明
前置工具箱:单变量求导全家桶——幂函数、乘积法则、链式法则、eu 与 lnu、三角函数;导数的定义(差商极限);上一课"极限"的记号。
🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)
① 链式法则(一维):(eu(x))′=u′(x)eu(x)、(sinu)′=u′cosu。微例:(e3x)′=3e3x——例题 2 里冻结 y 后就是这个形状。⚠️ 翻车点:内层导数 u′ 忘乘。
② 乘积法则:(uv)′=u′v+uv′。微例:(xex)′=ex+xex。⚠️ 翻车点:只导了一个因子。
③ "常数的待遇":常数因子随行不动,(cg(x))′=cg′(x);孤立常数项导为零。微例:(5x3)′=15x2、(7)′=0——偏导数里被冻结的变量享受的正是这套待遇。⚠️ 翻车点:把"常数因子"误当"常数项"整个抹零。
定义:差商极限的方向版
单变量导数是差商极限:f′(a)=limh→0hf(a+h)−f(a)。二元函数在点 (a,b) 处对 x 的偏导数照抄这个模板——只动 x,y 钉死在 b:
fx(a,b)=h→0limhf(a+h,b)−f(a,b)
对 y 的偏导数同理(只动 y):fy(a,b)=limh→0hf(a,b+h)−f(a,b)。
记号动物园(都是同一件事):
fx=∂x∂f=∂x∂z,fy=∂y∂f=∂y∂z
弯曲的 ∂(读"偏"或"partial")专用于提醒:"函数还有别的变量,此刻被我冻住了。"
计算法则一句话:求 fx 时,把 y 整体当成常数(享受 🔧 工具箱 ③ 的待遇),按单变量求导;求 fy 时反过来。没有任何新公式要背——这是本课最好的消息。
例题 1 · 多项式热身
求 f(x,y)=x3y2+y3−5x 的两个一阶偏导数。
✅ 解法展开
求 fx(冻结 y):x3y2 中 y2 是常数因子 → 3x2y2;y3 是孤立常数项 → 0;−5x → −5:
fx=3x2y2−5求 fy(冻结 x):x3y2 中 x3 是常数因子 → 2x3y;y3 → 3y2;−5x 是常数项 → 0:
fy=2x3y+3y2对照读一遍两个易错项:y3 在 fx 里是零(工具箱 ③ 翻车点的正身),x3y2 在两边都不为零(各有一个"活变量")。
例题 2 · 链式与乘积上阵
求 f(x,y)=ex2y+sin(xy) 的两个一阶偏导数,并求 fy(1,0)。
✅ 解法展开
求 fx(🔧 工具箱 ①,内层对 x 求导时 y 是常数):
fx=内层 x2y 对 x 导得 2xy2xyex2y+内层 xy 对 x 导得 yycos(xy)求 fy:
fy=x2ex2y+xcos(xy)代值:fy(1,0)=1⋅e0+1⋅cos0=1+1=2。
体会一下:全程只用了一维链式法则,唯一的新动作是"看清此刻谁被冻住"。
几何解释:切片曲线的斜率
偏导数的画面藏在上上课的切片法里。求 fx(a,b) 的三步动画:
- 用竖直平面 y=b 切曲面 z=f(x,y)——得到一条切片曲线 z=f(x,b)(单变量函数!)
- 在这条曲线上找到 x=a 的点
- fx(a,b) 就是切片曲线在该点的切线斜率
fy(a,b) 同理:换成 x=a 的竖直平面去切。所以偏导数没有发明新几何——它就是老朋友"曲线切线斜率"在指定方向切片上的重演。
地形版画面:你站在山坡 (a,b) 处,fx 是正东方向的坡度(正 = 上坡,负 = 下坡),fy 是正北方向的坡度。两个数合在一起,就是第 1 课"平面由两个方向斜率确定"里的那两个斜率——下一课的切平面已经在门口排队。
例题 3 · 读坡度
山的海拔为 h(x,y)=1000−2x2−3y2(米,x 向东、y 向北)。站在 (10,5) 处:向东走是上坡还是下坡?向北呢?哪个方向更陡?
✅ 解法展开
hx=−4x,hy=−6y。代入 (10,5):
hx(10,5)=−40,hy(10,5)=−30向东坡度 −40:下坡,每东行 1 单位海拔降 40 米;向北坡度 −30:也是下坡,降 30 米。比陡峭看绝对值:东向更陡。("哪个方向全场最陡"这个更野的问题,要等第 7 课的梯度来回答——偏导数只管东和北两个正方向。)
✍️ 练习
练习 1 · 基本功四连
求下列函数的 fx 与 fy:(a) f=x4+x2y3−2y (b) f=yx (c) f=ln(x2+y2) (d) f=xexy
✅ 参考答案
(a) fx=4x3+2xy3;fy=3x2y2−2。
(b) 写成 x⋅y−1:fx=y1;fy=−y2x(对 y 用幂法则,x 是常数因子)。
(c) 链式:fx=x2+y22x;fy=x2+y22y(S0 复健过 lnu 的导数)。
(d) fx 要乘积法则(x 与 exy 都含 x,🔧 工具箱 ②):fx=exy+xyexy;fy 不需要(只有 exy 含 y):fy=x2exy。
(d) 是最容易翻的一题:求 fx 时漏乘积、求 fy 时误上乘积,两个方向的坑各埋一个。
练习 2 · 定义域外的直觉检查
设 f(x,y)=x2+y2(锥面)。求 fx,并解释为什么它在原点没有偏导数。
✅ 参考答案
fx=x2+y2x(链式)。原点处用定义查:切片 y=0 给出 z=x2=∣x∣——绝对值函数在 0 处左右斜率 ±1 不一致,单变量导数不存在,故 fx(0,0) 不存在。几何画面:锥面的尖点处没有确定的切线——"尖"是可导性的天敌,一维二维通用。
练习 3 · 经济学读义
某产品利润 P(p,a)=−50p2+800p+40a−a2(p 定价,a 广告费)。求 Pp(6,10) 与 Pa(6,10),并各用一句话解读。
✅ 参考答案
Pp=−100p+800,Pa=40−2a。代入:Pp(6,10)=200,Pa(6,10)=20。
解读:广告费不动时,定价每提高 1 元,利润约增 200(还有涨价空间);定价不动时,广告费每加 1 元,利润约增 20(投放仍有效但边际不高)。偏导数的应用语感:"其他条件不变时,某因素的边际影响"——经济学里的"边际"就是偏导数。
📝 随堂测验
1. 计算 $f_x$ 的操作规程是?
2. $f(x,y) = x^3y^2 + y^3$ 的 $f_x$ 是?
3. $f_x(a, b)$ 的几何意义是?
4. $f = xe^{xy}$ 求 $f_x$ 时需要乘积法则,求 $f_y$ 时不需要,原因是?
5. 海拔 $h(x,y)$($x$ 向东)在脚下点满足 $h_x = -40$,含义是?
本课小结
- 偏导数 = 方向限定版导数:fx 只动 x(y 冻结),fy 只动 y;记号 ∂ 提醒"还有变量被冻住"
- 计算零新公式:被冻变量享受常数待遇(因子随行、孤立项归零);链式、乘积照常,先侦察"谁是活变量"
- 几何:fx(a,b) = 切片 y=b 上曲线在 x=a 处的切线斜率;地形语感——fx 东向坡度、fy 北向坡度
- 应用语感:"其他条件不变时的边际影响"
- 尖点无偏导(锥面原点);两个偏导数恰是第 1 课平面公式里的两个斜率——下一课立刻兑现
下一课把两个偏导数装回平面公式,得到贴合曲面的切平面,顺带收获工程师最爱的线性近似:用一次乘加运算逼近任何光滑曲面。