# 偏导数

偏导数(英语:partial derivative)的定义是:一个多变量的函数(或称多元函数),对其中一个变量(导数)微分,而保持其他变量恒定,函数𝑓关于变量𝑥𝑥的偏导数写为𝑓𝑥′𝑓𝑥′或∂𝑓∂𝑥∂𝑓∂𝑥。偏导数符号∂∂是全导数符号𝑑𝑑的变体。

对于导数是一元上是切线也就是变化率,但在多元上一个曲面有无穷多条切线,偏导数就是选择其中一条切线,并求出它的斜率。

# 定义

对于函数

f(x,y)=fx(y)=x2+xy+y2。f(x,y)=f_x(y)=x^2+xy+y^2。

对 y 求导意思是说选择了一个 x 的值,例如 a,那么 f(x,y) 便定义了一个函数 fa

fa(y)=a2+ay+y2fa′(y)=a+2y∂f∂y(x,y)=x+2yf_a(y)=a^2+ay+y^2\\f_a^{\prime}(y)=a+2y\\\frac{\partial f}{\partial y}(x,y)=x+2y

多变量函数的一个重要的例子,是欧几里德空间 Rn(例如 R2 或 R3)上的标量值函数 f(x1,...xn)。在这种情况下,f 关于每一个变量 xj 具有偏导数∂f/∂xj。在点 a,这些偏导数定义了一个向量:

∇f(a)=(∂f∂x1(a),…,∂f∂xn(a))\nabla f(a)=\left(\frac{\partial f}{\partial x_1}(a),\ldots,\frac{\partial f}{\partial x_n}(a)\right)

这个向量称为 f 在点 a 的梯度。如果 f 在定义域中的每一个点都是可微的,那么梯度便是一个向量值函数∇f,它把点 a 映射到向量∇f(a)。这样,梯度便决定了一个向量场。一个常见的符号滥用是在欧几里得空间 R3 中用单位向量 i^,j^,k^\mathbf{\hat{i}},\mathbf{\hat{j}},\mathbf{\hat{k}} 来定义 Nabla 算子 (∇) 如下:

∇=[∂∂x]i^+[∂∂y]j^+[∂∂z]k^\nabla=\left[\frac\partial{\partial x}\right]\mathbf{\hat{i}}+\left[\frac\partial{\partial y}\right]\mathbf{\hat{j}}+\left[\frac\partial{\partial z}\right]\mathbf{\hat{k}}

# 例子

考虑一个圆锥的体积 V;它与高度 h 和半径 r 有以下的关系:

V(r,h)=πr2h3V(r,h)=\frac{\pi r^2h}3

V 关于 r 的偏导数为:∂V∂r=2πrh3\frac{\partial V}{\partial r}=\frac{2\pi rh}3,它描述了高度固定而半径变化时,圆锥的体积的变化率。

V 关于 h 的偏导数为:∂V∂h=πr23\frac{\partial V}{\partial h}=\frac{\pi r^2}3,它描述了半径固定而高度变化时,圆锥的体积的变化率。
现在考虑 V 关于 r 和 h 的全导数。它们分别是:

dVdr=∂V∂r+∂V∂h∂h∂rd⁡Vd⁡r=2πrh3⏞∂V∂r+πr23⏞∂V∂h∂h∂r\frac{dV}{dr} = \frac{\partial V}{\partial r} + \frac{\partial V}{\partial h} \frac{\partial h}{\partial r}\\\frac{\operatorname{d}V}{\operatorname{d}r}=\overbrace{\frac{2\pi rh}3}^{\frac{\partial V}{\partial r}}+\overbrace{\frac{\pi r^2}3}^{\frac{\partial V}{\partial h}}\frac{\partial h}{\partial r}

以及

dVdh=∂V∂h+∂V∂r∂r∂hd⁡Vd⁡h=πr23⏞∂V∂h+2πrh3⏞∂V∂r∂r∂h\frac{dV}{dh} = \frac{\partial V}{\partial h} + \frac{\partial V}{\partial r} \frac{\partial r}{\partial h}\\\frac{\operatorname{d}V}{\operatorname{d}h}=\overbrace{\frac{\pi r^2}{3}}^{\frac{\partial V}{\partial h}}+\overbrace{\frac{2\pi rh}{3}}^{\frac{\partial V}{\partial r}}\frac{\partial r}{\partial h}

现在假设,由于某些原因,高度和半径的比 k 需要是固定的:k=hr=∂h∂rk=\frac hr=\frac{\partial h}{\partial r} 这便给出了关于 r 的全导数:

d⁡Vd⁡r=2πrh3+kπr23d⁡Vd⁡r=kπr2\frac{\operatorname{d}V}{\operatorname{d}r}=\frac{2\pi rh}3+k\frac{\pi r^2}3\\\frac{\operatorname{d}V}{\operatorname{d}r}=k\pi r^2

关于 h 的全导数是:

d⁡Vd⁡h=πr2\frac{\operatorname{d}V}{\operatorname{d}h}=\pi r^2

与关于 r 和 h 二者相关的全导数是由雅可比矩阵给出的,它的形式为梯度向量

∇V=(∂V∂r,∂V∂h)=(23πrh,13πr2)\nabla V=(\frac{\partial V}{\partial r},\frac{\partial V}{\partial h})=(\frac23\pi rh,\frac13\pi r^2)

# 记法

f 的一阶偏导数为:

∂f∂x=fx=∂xf\frac{\partial f}{\partial x}=f_x=\partial_xf

二阶偏导数为:

∂2f∂x2=fxx=∂xxf\frac{\partial^2f}{\partial x^2}=f_{xx}=\partial_{xx}f

二阶混合偏导数为:

∂2f∂y∂x∂x=∂∂y(∂f∂x)=fxy=∂yxf\frac{\partial^2f}{\partial y}\frac{\partial x}{\partial x}=\frac\partial{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)=f_{xy}=\partial_{yx}f

高阶偏导数为:

∂i+j+kf∂xi∂yj∂zk=f(i,j,k)\frac{\partial^{i+j+k}f}{\partial x^i\mathrm{~}\partial y^j\mathrm{~}\partial z^k}=f^{(i,j,k)}

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