本课导读
第 1 课埋的伏笔今天兑现:"两个斜率 + 一个点定一张平面。"上一课量出了曲面在一点的两个方向斜率(fx,fy),现在把它们装回平面公式——得到贴着曲面的切平面。它不只是几何摆设:把曲面局部拉平后,复杂函数在一点附近就能用"一次乘加"估值,这就是线性近似与改变量估计——工程和物理里每天都在用的手艺。途中还要诚实面对一个理论坑:可微性——二维世界里"有偏导数"不等于"能拉平"。预计 45 分钟。
说明
前置工具箱:第 1 课平面公式 z=ax+by+c 与"斜率读法";第 4 课偏导数计算;单变量线性近似 f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)(切线近似)。
🔧 30 秒回顾 · 本课要用的旧手艺(熟练可跳过)
① 一维切线近似:f(x)≈f(a)+f′(a)(x−a)(x 近 a)。微例:4.1≈2+41(0.1)=2.025。⚠️ 翻车点:忘了"近似只在 a 附近可信"。
② 平面斜率读法(第 1 课):z=ax+by+c 中 a,b 分别是 x,y 方向斜率。微例:练习 3 的"两斜率 + 一点"反向工程——本课公式就是它的正式版。⚠️ 翻车点:斜率与截距张冠李戴。
③ 偏导数代值(第 4 课):先求偏导函数,再代点。微例:f=x2y,fx=2xy,fx(2,1)=4——例题 1 原式。⚠️ 翻车点:先代点再求导(代完变常数,导数恒零)。
切平面:两个斜率装回平面公式
曲面 z=f(x,y) 在点 (a,b) 上方的点是 (a,b,f(a,b))。要一张在这一点贴合曲面的平面——"贴合"的自然要求:
- 过这个点
- 沿 x 方向斜率与曲面一致:=fx(a,b)
- 沿 y 方向斜率与曲面一致:=fy(a,b)
第 1 课说过,这三条恰好完全确定一张平面(🔧 工具箱 ②)。写出来就是切平面(tangent plane)方程:
z=f(a,b)+fx(a,b)(x−a)+fy(a,b)(y−b)
结构读法:基准高度 f(a,b),加上"沿 x 偏离 a 的距离 × x 方向斜率",再加上"沿 y 偏离 b 的距离 × y 方向斜率"。它就是一维切线公式 y=f(a)+f′(a)(x−a) 多长了一节——形状神似不是巧合,是同一个思想:用一点处的导数信息搭出最贴身的线性对象。
例题 1 · 求切平面
求曲面 z=x2y 在点 (2,1) 处的切平面方程。
✅ 解法展开
三样零件(🔧 工具箱 ③):
f(2,1)=4;fx=2xy⇒fx(2,1)=4;fy=x2⇒fy(2,1)=4装配:
z=4+4(x−2)+4(y−1)(展开即 z=4x+4y−8,两种形式都算完成。)流程口诀:代高度、求两偏、装公式——三步,不需要任何新计算技术。
可微性:诚实的一段
一维世界"可导 = 有切线 = 局部拉平成功",一气呵成。二维出岔子了:两个偏导数都存在,切平面却可能贴不住曲面。
反面教材是上一课极限专题的老朋友思路:函数 f(x,y)=x2+y2xy(补定义 f(0,0)=0)在原点沿两条轴都恒为零,所以 fx(0,0)=fy(0,0)=0 都存在;"切平面"应是水平面 z=0。但沿对角线 y=x 逼近时函数值贴着 21(第 3 课例题 2 算过)——曲面根本没贴着那张平面,"拉平"是假象。偏导数只检查了两条轴方向,斜方向可以完全失控。
于是需要一个更强的词:f 在一点可微(differentiable),直观定义就是"切平面真的贴住了曲面"——偏离切平面的误差比位移本身高阶地小。日常判定用一条舒服的充分条件:
提示
判定定理:若 fx,fy 在点的邻域内存在且连续,则 f 在该点可微(切平面贴合,下文的线性近似全部合法)。
多项式、指数、对数、三角及其四则复合的偏导数仍是同类函数,在定义域内连续——所以本单元遇到的常规函数在定义域内放心可微。理论坑知道位置即可,日常绕着走。
线性近似:切平面的实用变现
切平面既然贴合曲面,那么在 (a,b) 附近,就可以拿平面高度冒充曲面高度:
f(x,y)≈L(x,y)=f(a,b)+fx(a,b)(x−a)+fy(a,b)(y−b)
L 叫 f 在 (a,b) 处的线性近似(linear approximation)。用途:在没有计算器的年代它是手算利器;在有计算器的年代它是思维利器——复杂模型在工作点附近"线性化",是工程、经济、机器学习共用的第一招。
例题 2 · 用切平面估值
用例题 1 的结果估算 f(2.1,0.95)(其中 f=x2y),并与精确值比较。
✅ 解法展开
代入 L(x,y)=4+4(x−2)+4(y−1):
L(2.1,0.95)=4+4(0.1)+4(−0.05)=4+0.4−0.2=4.2精确值:f(2.1,0.95)=2.12×0.95=4.41×0.95=4.1895。误差约 0.01,相对误差约 0.25%——一次乘加换来千分之二的精度,这就是"局部拉平"生意的利润率。偏离越远利润越薄(🔧 工具箱 ① 的提醒原样适用)。
改变量估计:全微分
换个记法问同一件事:从 (a,b) 出发,x 挪 Δx、y 挪 Δy,z 大约变多少?由线性近似直接移项:
Δz≈fx(a,b)Δx+fy(a,b)Δy
右端记作 dz=fxdx+fydy,称全微分(total differential)。读法:"总变化 ≈ 各方向变化的贡献之和"——每个方向的贡献 = 该方向斜率 × 该方向挪动量。误差分析、灵敏度分析的标准句式。
例题 3 · 圆柱体积的误差预算
圆柱体积 V=πr2h。测得 r=2、h=5;若 r 实际偏大 0.05、h 实际偏小 0.1,用全微分估算体积误差。
✅ 解法展开
两个偏导数:Vr=2πrh,Vh=πr2。代入 r=2,h=5:Vr=20π,Vh=4π。全微分:
ΔV≈VrΔr+VhΔh=20π(0.05)+4π(−0.1)=π(1−0.4)=0.6π≈1.88(精确变化 π(2.052⋅4.9−20)≈0.592π,近似质量不错。)注意读法的价值:Vr=20π 远大于 Vh=4π——体积对半径的误差敏感 5 倍,测量时该把精力花在量准 r 上。全微分不只算数,还告诉你"哪个变量是误差大户"。
✍️ 练习
练习 1 · 切平面基本功
求 z=x3y 在点 (1,2) 处的切平面方程。
✅ 参考答案
f(1,2)=2;fx=3x2y⇒fx(1,2)=6;fy=x3⇒fy(1,2)=1:
z=2+6(x−1)+(y−2)
练习 2 · 估值与验证
用练习 1 的切平面估算 f(1.02,1.97),并与精确值 1.023×1.97 对比。
✅ 参考答案
L=2+6(0.02)+(−0.03)=2+0.12−0.03=2.09精确值 1.023×1.97≈1.0612×1.97≈2.0906。误差不到 0.001——点挪得越少,切平面冒充得越像。
练习 3 · 灵敏度体检
矩形盒子体积 V=xyz…先别慌,目前只学了二元:设底面积固定问题简化为 S=xy(x=20,y=30)。若两边测量各可能偏差 ±0.1,用全微分估算面积的最大误差,并指出哪条边是"误差大户"。
✅ 参考答案
Sx=y=30,Sy=x=20。最不利情况同号叠加:
∣ΔS∣≲30×0.1+20×0.1=5误差大户是 x(系数 30 更大):短边的测量误差被长边放大——量地皮时短边更要量仔细,这个反直觉小结论就是全微分白送的。
📝 随堂测验
1. 曲面 $z = f(x,y)$ 在 $(a,b)$ 处切平面方程是?
2. 二维世界里“两个偏导数都存在”与“可微(切平面贴合)”的关系是?
3. 线性近似 $L(x,y)$ 估值的可靠范围是?
4. 全微分 $dz = f_x\,dx + f_y\,dy$ 的读法是?
5. 例题 3 中 $V_r = 20\pi$ 而 $V_h = 4\pi$,工程含义是?
本课小结
- 切平面 z=f(a,b)+fx(a,b)(x−a)+fy(a,b)(y−b):第 1 课"两斜率 + 一点"的正式版;流程——代高度、求两偏、装公式
- 可微性:偏导存在 ≠ 可微(轴方向合格、斜方向可能失控);护身符——偏导存在且连续 ⟹ 可微,常规函数定义域内通行
- 线性近似 f≈L:基准点附近用一次乘加冒充曲面;偏离越小越可信
- 全微分 Δz≈fxΔx+fyΔy:各方向贡献相加;偏导数兼任灵敏度系数,指认误差大户
- 一维切线思想的完整升维:切线 → 切平面,f′(a)(x−a) → 两节"斜率 × 偏移"
下一课给偏导数"再来一层":二阶偏导数(曲面的弯曲档案,第 8 课判极值的原料)+ 链式法则(变量再套变量时的求导流水线)。