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课程库 Calculus 2 S7 · 二元函数 › 第 5

切平面与线性近似 —— 曲面的"局部拉平"生意

普通课45 分钟

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,fyf_x, f_y),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+cz = 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)(xa)f(x) \approx 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)(xa)f(x) \approx f(a) + f'(a)(x - a)xxaa)。微例:4.12+14(0.1)=2.025\sqrt{4.1} \approx 2 + \tfrac{1}{4}(0.1) = 2.025。⚠️ 翻车点:忘了"近似只在 aa 附近可信"。

② 平面斜率读法(第 1 课):z=ax+by+cz = ax + by + ca,ba, b 分别是 x,yx, 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=x2yf = x^2yfx=2xyf_x = 2xyfx(2,1)=4f_x(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)z = f(x, y) 在点 (a,b)(a, b) 上方的点是 (a,b,f(a,b))\left(a, b, f(a,b)\right)。要一张在这一点贴合曲面的平面——"贴合"的自然要求:

  1. 过这个点
  2. 沿 xx 方向斜率与曲面一致:=fx(a,b)= f_x(a, b)
  3. 沿 yy 方向斜率与曲面一致:=fy(a,b)= f_y(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)(xa)+fy(a,b)(yb)\boxed{\,z = f(a, b) + f_x(a, b)\,(x - a) + f_y(a, b)\,(y - b)\,}

结构读法:基准高度 f(a,b)f(a,b),加上"沿 xx 偏离 aa 的距离 × xx 方向斜率",再加上"沿 yy 偏离 bb 的距离 × yy 方向斜率"。它就是一维切线公式 y=f(a)+f(a)(xa)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=x2yz = x^2 y 在点 (2,1)(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=2xyfx(2,1)=4;fy=x2fy(2,1)=4f(2,1) = 4; \qquad f_x = 2xy \Rightarrow f_x(2,1) = 4; \qquad f_y = x^2 \Rightarrow f_y(2,1) = 4

装配:

z=4+4(x2)+4(y1)z = 4 + 4(x - 2) + 4(y - 1)

(展开即 z=4x+4y8z = 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)=xyx2+y2f(x,y) = \dfrac{xy}{x^2+y^2}(补定义 f(0,0)=0f(0,0) = 0)在原点沿两条轴都恒为零,所以 fx(0,0)=fy(0,0)=0f_x(0,0) = f_y(0,0) = 0 都存在;"切平面"应是水平面 z=0z = 0。但沿对角线 y=xy = x 逼近时函数值贴着 12\tfrac{1}{2}(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:ff 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,fyf_x, f_y 在点的邻域内存在且连续,则 ff 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)(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)(xa)+fy(a,b)(yb)f(x, y) \;\approx\; L(x, y) = f(a, b) + f_x(a, b)(x - a) + f_y(a, b)(y - b)

LLff(a,b)(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)f(2.1,\, 0.95)(其中 f=x2yf = x^2 y),并与精确值比较。

✅ 解法展开

代入 L(x,y)=4+4(x2)+4(y1)L(x, y) = 4 + 4(x - 2) + 4(y - 1)

L(2.1,0.95)=4+4(0.1)+4(0.05)=4+0.40.2=4.2L(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=4.1895f(2.1, 0.95) = 2.1^2 \times 0.95 = 4.41 \times 0.95 = 4.1895。误差约 0.010.01,相对误差约 0.25%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)(a, b) 出发,xxΔx\Delta xyyΔy\Delta yzz 大约变多少?由线性近似直接移项:

Δz    fx(a,b)Δx+fy(a,b)Δy\Delta z \;\approx\; f_x(a, b)\,\Delta x + f_y(a, b)\,\Delta y

右端记作 dz=fxdx+fydydz = f_x\,dx + f_y\,dy,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=πr2hV = \pi r^2 h。测得 r=2r = 2h=5h = 5;若 rr 实际偏大 0.050.05hh 实际偏小 0.10.1,用全微分估算体积误差。

✅ 解法展开

两个偏导数:Vr=2πrhV_r = 2\pi r hVh=πr2V_h = \pi r^2。代入 r=2,h=5r = 2, h = 5Vr=20πV_r = 20\piVh=4πV_h = 4\pi。全微分:

ΔVVrΔr+VhΔh=20π(0.05)+4π(0.1)=π(10.4)=0.6π1.88\Delta V \approx V_r\,\Delta r + V_h\,\Delta h = 20\pi (0.05) + 4\pi(-0.1) = \pi(1 - 0.4) = 0.6\pi \approx 1.88

(精确变化 π(2.0524.920)0.592π\pi(2.05^2 \cdot 4.9 - 20) \approx 0.592\pi,近似质量不错。)注意读法的价值:Vr=20πV_r = 20\pi 远大于 Vh=4πV_h = 4\pi——体积对半径的误差敏感 5 倍,测量时该把精力花在量准 rr 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

z=x3yz = x^3 y 在点 (1,2)(1, 2) 处的切平面方程。

✅ 参考答案

f(1,2)=2f(1,2) = 2fx=3x2yfx(1,2)=6f_x = 3x^2y \Rightarrow f_x(1,2) = 6fy=x3fy(1,2)=1f_y = x^3 \Rightarrow f_y(1,2) = 1

z=2+6(x1)+(y2)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)f(1.02,\, 1.97),并与精确值 1.023×1.971.02^3 \times 1.97 对比。

✅ 参考答案L=2+6(0.02)+(0.03)=2+0.120.03=2.09L = 2 + 6(0.02) + (-0.03) = 2 + 0.12 - 0.03 = 2.09

精确值 1.023×1.971.0612×1.972.09061.02^3 \times 1.97 \approx 1.0612 \times 1.97 \approx 2.0906。误差不到 0.0010.001——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=xyzV = xyz…先别慌,目前只学了二元:设底面积固定问题简化为 S=xyS = xyx=20x = 20y=30y = 30)。若两边测量各可能偏差 ±0.1\pm 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=30S_x = y = 30Sy=x=20S_y = x = 20。最不利情况同号叠加:

ΔS30×0.1+20×0.1=5|\Delta S| \lesssim 30 \times 0.1 + 20 \times 0.1 = 5

误差大户是 xx(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

随堂测验0 / 5 题正确

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)(xa)+fy(a,b)(yb)z = f(a,b) + f_x(a,b)(x-a) + f_y(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 fLf \approx 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 ΔzfxΔx+fyΔy\Delta z \approx f_x \Delta x + f_y \Delta y: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)(xa)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)。

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讨论

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