这里涉及的知识比较多,主要思想是这样的全怎么求:
1.Pdx+Qdy如果恰好是某个二元函数的全微分的话,方程的通解就能求出了(此时该方程称为全微分方程),比如,设
Pdx+Qdy=du(x,y)
那么方程Pdx+Qdy=0的通解便为:u(x,y)=C
2.但Pdx+Qdy不一定恰好是某个函数的全微分,判断依据是:dP/dy=dQ/dx,
即:此式成立(当然在某个区域内),存在u(x,y),如果此式不成立,则不存在u(x,y)
3.在不存在u(x,y)的情况下,可能可以通过乘以某个函数或式子,使得方程成为全微分方程,比如方程:xdy-ydx=0,通过判断知道它不是全微分方程,但如果乘以1/x^2,方程变形为:
dy/x-(y/x^2)dx=0
通过验证可知它是全微分方程,并且
dy/x-(y/x^2)dx=d(y/x)
4.象上例这样,乘上的函数1/x^2便称为是积分因子了,一般来说,如果微分方程通过乘以某个函数变成了全微分方程,则称此函数称为该方程的积分因子。
5.若Pdx+Qdy=du(x,y),则有du/dx=P,du/dy=Q
因此dp/dy=d^2u/(dxdy)=d^2u/(dydx)=dQ/dx
反之亦然,这就是判断是否为全微分方程的依据。
向量空间 Rᵐ 到 Rⁿ 的 映射 L: Rᵐ → Rⁿ ,如果满足:
对于任意 λ ∈ R,x ∈ Rᵐ 有 L(λx) = λL(x)
对于任意 x, y ∈ Rᵐ 有 L(x + y) = L(x) + L(y)
则称 L 为 线性映射,当 n = 1 时称 L 为 线性函数。
为了区分,我们接下来用 A 表示 线性函数,L 依旧表示 线性映射。
对于 线性函数 A : Rᵐ → R,当 m > 1 时称 多元线性函数,当 m = 1 时,称 一元线性函数,为了方便 接下来 线性函数 特指 一元线性函数。
很显然,在平面笛卡尔直角坐标系下,过原点的直线函数:
A(x) = kx ⑴
其中 常数 k 称为斜率。
满足:
A(λx) = kλx = λ(kx) = λA(x);
A(x + y) = k(x + y) = kx + ky = A(x) + A(y)
于是 函数 ⑴ 是线性函数。
可以验证,不过远点的 直线函数 y = ax + b,以及各种曲线函数,比如:y = x²,都不是 线性函数。
线性函数 ⑴ 可以升级到 多元形式:
A(x) = A(x₁, x₂, …, x_m) = k₁x₁ + k₂x₂ + … + k_mx_m ⑴\’
验证如下:
A(λx) = A(λx₁, λx₂, …, λx_m) = k₁λx₁ + k₂λx₂ + … + k_mλx_m = λ(k₁x₁ + k₂x₂ + … + k_mx_m) = λA(x);
A(x + y) = A(x₁ + y₁, x₂ + y₂, …, x_m + y_m) = k₁(x₁ + y₁) + k₂(x₂ + y₂) + … + k_m(x_m + y_m) = (k₁x₁ + k₂x₂ + … + k_mx_m) + (k₁y₁ + k₂y₂ + … + k_my_m) = A(x) + A(y)
定义在 E ⊆ R 上的 函数 f : E → R ,在 E 的 聚点 x ∈ E 处的 增量(关于 h 的函数):
如果 在 x 点附近(即,h → 0 时),可以 近似的 等于 一个 线性函数 Aₓ(h) ,即,
其中,oₓ(h) 表示 h 的高价无穷小量,其满足:
则称 函数 f 在 x 点 可微,线性函数 Aₓ 称为 f 在 x 点的 微分,记为:df(x),于是有
将 Aₓ(h) 写成 线性函数 ⑴ 的形式:
下面求 斜率 k:
由 微分定义可知:
于是,有:
启用,在 x 点附近,即,当 h → 0 时 的条件,有:
令,
称 f\'(x) 为 f 在 x 点的 导数 。于是,求得:
进而有:
考虑 函数 l(x) = x,显然有:
于是对于 函数 l(x) = x ,结合 等式 ⑵ 和 ⑶ 有 :
而对于任意 函数 f(x),利用上面的结果,再结合 等式 ⑵ 和 ⑶ 有:
即,
于是得到:
这就是 莱布尼兹的导数表示法,而 f\'(x) 是 拉格朗日的导数表示法。
类似的,如果 多元函数 f : E → R (E ⊆ Rᵐ )在 E 的 聚点 x ∈ E 附近满足:
则称 多元函数 f 在 x 点 可微,多元线性函数 Aₓ : Rᵐ → R 称为 f 在 x 点的全微分,记为 df(x) ,即,
将 Aₓ(h) 写成 线性函数 ⑴\’ 的形式:
现在求 kᵢ,i = 1, 2, …, m:
令,
则有:
于是:
这和 前面 (A) 处情况完全类似,于是同理可令:
称 fₓᵢ(x) 为 f 在 x 处关于 分量 xᵢ 的偏导数。于是,求得:
进而有:
和前面类似,可以令:
于是,最终有:
我们还可以将 微分 升级到 E ⊆ Rᵐ 到 Rⁿ 的 映射 f: E → Rⁿ 中,如果 f 在 E 的 聚点 x ∈ E 附近满足:
则称 映射 f 在 x 点 可微,线性映射 Lₓ : Rᵐ → R 称为 f 在 x 点的 微分,同样记为 df(x) ,即,
映射 f 可以看成 一组线性函数:
有:
类似的 全微分,可以求得:
其中,
称为 雅克比(Jacobi) 矩阵。
最后说明:
在《高等数学》中全微分定义略有不同,其中公式写成如下形式:
但实质是一样的;
有时候 d f(x) 和 ∂ f(x) 可以简写为 d f 和 ∂ f;
函数(映射)在 某个聚点处 的 微分 就是 和 函数(映射)该点 处 变换近似的 线性函数(映射)。
(本人数学水平有限,以上答案仅供 题主 和 大家 参考,同时,出错再所难免,欢迎各位老师批评指正。)