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课程库 Calculus 2 S7 · 二元函数 › 第 4

一阶偏导数 —— 冻结一个,求导另一个

普通课45 分钟

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 xx 方向的斜率叫 fx\dfrac{\partial f}{\partial x},朝 yy 方向的叫 fy\dfrac{\partial f}{\partial y}。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、eue^ulnu\ln u、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)\left(e^{u(x)}\right)' = u'(x)\,e^{u(x)}(sinu)=ucosu(\sin u)' = u'\cos u。微例:(e3x)=3e3x\left(e^{3x}\right)' = 3e^{3x}——例题 2 里冻结 yy 后就是这个形状。⚠️ 翻车点:内层导数 uu' 忘乘。

② 乘积法则(uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'。微例:(xex)=ex+xex(x e^x)' = e^x + xe^x。⚠️ 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)\left(c\,g(x)\right)' = c\,g'(x);孤立常数项导为零。微例:(5x3)=15x2(5x^3)' = 15x^2(7)=0(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)=limh0f(a+h)f(a)hf'(a) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a+h) - f(a)}{h}。二元函数在点 (a,b)(a, b)xx 的偏导数照抄这个模板——只动 xxyy 钉死在 bb

fx(a,b)=limh0f(a+h,b)f(a,b)hf_x(a, b) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a + h,\, b) - f(a, b)}{h}

yy 的偏导数同理(只动 yy):fy(a,b)=limh0f(a,b+h)f(a,b)hf_y(a, b) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a,\, b + h) - f(a, b)}{h}

记号动物园(都是同一件事):

fx=fx=zx,fy=fy=zyf_x = \frac{\partial f}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial x}, \qquad f_y = \frac{\partial f}{\partial y} = \frac{\partial z}{\partial y}

弯曲的 \partial(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 fxf_x 时,把 yy 整体当成常数(享受 🔧 工具箱 ③ 的待遇),按单变量求导;求 fyf_y 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

f(x,y)=x3y2+y35xf(x, y) = x^3 y^2 + y^3 - 5x 的两个一阶偏导数。

✅ 解法展开

fxf_x(冻结 yyx3y2x^3 y^2y2y^2 是常数因子 → 3x2y23x^2 y^2y3y^3 是孤立常数项 → 005x-5x5-5

fx=3x2y25f_x = 3x^2 y^2 - 5

fyf_y(冻结 xxx3y2x^3 y^2x3x^3 是常数因子 → 2x3y2x^3 yy3y^33y23y^25x-5x 是常数项 → 00

fy=2x3y+3y2f_y = 2x^3 y + 3y^2

对照读一遍两个易错项:y3y^3fxf_x 里是(工具箱 ③ 翻车点的正身),x3y2x^3 y^2 在两边都不为零(各有一个"活变量")。

例题 2 · 链式与乘积上阵

f(x,y)=ex2y+sin(xy)f(x, y) = e^{x^2 y} + \sin(xy) 的两个一阶偏导数,并求 fy(1,0)f_y(1, 0)

✅ 解法展开

fxf_x(🔧 工具箱 ①,内层对 xx 求导时 yy 是常数):

fx=2xyex2y内层 x2y 对 x 导得 2xy+ycos(xy)内层 xy 对 x 导得 yf_x = \underbrace{2xy\,e^{x^2 y}}_{\text{内层 } x^2y \text{ 对 } x \text{ 导得 } 2xy} + \underbrace{y\cos(xy)}_{\text{内层 } xy \text{ 对 } x \text{ 导得 } y}

fyf_y

fy=x2ex2y+xcos(xy)f_y = x^2 e^{x^2 y} + x\cos(xy)

代值:fy(1,0)=1e0+1cos0=1+1=2f_y(1, 0) = 1 \cdot e^0 + 1 \cdot \cos 0 = 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)f_x(a, b) 的三步动画:

  1. 用竖直平面 y=by = b 切曲面 z=f(x,y)z = f(x, y)——得到一条切片曲线 z=f(x,b)z = f(x, b)(单变量函数!)
  2. 在这条曲线上找到 x=ax = a 的点
  3. fx(a,b)f_x(a, b) 就是切片曲线在该点的切线斜率

fy(a,b)f_y(a, b) 同理:换成 x=ax = 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)(a, b) 处,fxf_x正东方向的坡度(正 = 上坡,负 = 下坡),fyf_y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)=10002x23y2h(x, y) = 1000 - 2x^2 - 3y^2(米,xx 向东、yy 向北)。站在 (10,5)(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=4xh_x = -4xhy=6yh_y = -6y。代入 (10,5)(10, 5)

hx(10,5)=40,hy(10,5)=30h_x(10, 5) = -40, \qquad h_y(10, 5) = -30

向东坡度 40-40下坡,每东行 1 单位海拔降 40 米;向北坡度 30-30: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 fxf_xfyf_y:(a) f=x4+x2y32yf = x^4 + x^2y^3 - 2y (b) f=xyf = \dfrac{x}{y} (c) f=ln(x2+y2)f = \ln(x^2 + y^2) (d) f=xexyf = x e^{xy}

✅ 参考答案

(a) fx=4x3+2xy3f_x = 4x^3 + 2xy^3fy=3x2y22f_y = 3x^2y^2 - 2

(b) 写成 xy1x \cdot y^{-1}fx=1yf_x = \dfrac{1}{y}fy=xy2f_y = -\dfrac{x}{y^2}(对 yy 用幂法则,xx 是常数因子)。

(c) 链式:fx=2xx2+y2f_x = \dfrac{2x}{x^2 + y^2}fy=2yx2+y2f_y = \dfrac{2y}{x^2 + y^2}(S0 复健过 lnu\ln u 的导数)。

(d) fxf_x 要乘积法则(xxexye^{xy} 都含 xx,🔧 工具箱 ②):fx=exy+xyexyf_x = e^{xy} + xy\,e^{xy}fyf_y 不需要(只有 exye^{xy}yy):fy=x2exyf_y = x^2 e^{xy}

(d) 是最容易翻的一题:求 fxf_x 时漏乘积、求 fyf_y 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

f(x,y)=x2+y2f(x, y) = \sqrt{x^2 + y^2}(锥面)。求 fxf_x,并解释为什么它在原点没有偏导数。

✅ 参考答案

fx=xx2+y2f_x = \dfrac{x}{\sqrt{x^2 + y^2}}(链式)。原点处用定义查:切片 y=0y = 0 给出 z=x2=xz = \sqrt{x^2} = |x|——绝对值函数在 0 处左右斜率 ±1\pm 1 不一致,单变量导数不存在,故 fx(0,0)f_x(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+40aa2P(p, a) = -50p^2 + 800p + 40a - a^2pp 定价,aa 广告费)。求 Pp(6,10)P_p(6, 10)Pa(6,10)P_a(6, 10),并各用一句话解读。

✅ 参考答案

Pp=100p+800P_p = -100p + 800Pa=402aP_a = 40 - 2a。代入:Pp(6,10)=200P_p(6, 10) = 200Pa(6,10)=20P_a(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

随堂测验0 / 5 题正确

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fxf_x 只动 xxyy 冻结),fyf_y 只动 yy;记号 \partial 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)f_x(a,b) = 切片 y=by = b 上曲线在 x=ax = a 处的切线斜率;地形语感——fxf_x 东向坡度、fyf_y 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。

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