高階偏導數

對於多元函式來說,若其一階偏導數仍是關於每個自變數的函式,並且一階偏導數對每個自變數的偏導數也存在,則說這個多元函式具有二階偏導數。以此類推,有三階偏導數,四階偏導數等,我們把一階以上的偏導數稱為高階偏導數。

定義和例子

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

如果定義在開集上的函式的一階偏導數關於某個變數可偏微分,就能作出二階偏導數。同樣能定義階偏導數。我們即將一階以上的偏導數稱為 高階偏導數。將這些高階偏導數記為 :

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

例 1 求函式的所有二階偏導數和.

解 由於函式的一階偏導數是

高階偏導數 高階偏導數

因此有

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

和

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

例2 求函式的所有二階偏導數。

解 因為

高階偏導數 高階偏導數

所以二階偏導數為

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

高階偏導數和求導順序無關的條件

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

從上面兩個例子可以看到,這些函式關於和的不同順序的兩個二階偏導數都相等(這種既有關於又有關於的高階偏導數稱為 混合偏導數),即

高階偏導數 高階偏導數

但這個結論並不對任何函式都成立,例如函式

高階偏導數 高階偏導數

它的一階偏導數為

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

進而求在處關於和的兩個不同順序的混合偏導數,得

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

由此看到,這裡的在原點處的兩個二階偏導數與求導順序有關。那么,在什麼條件下混合偏導數與求導順序無關呢?

定理

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

若和都在點連續,則

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

這個定理的結論對元函式的混合偏導數也成立。如三元函式,若下述六個三階混合偏導數

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

在某一點連續,則在這一點六個混合偏導數都相等。同樣,若二元函式在點存在直到階的連續混合偏導數,則在這一點階混合偏導數都與順序無關 。

複合函式的高階偏導數

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

設是通過中間變數而成為的函式,即

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

其中。若函式都具有連續的二階偏導數,則作為複合函式的對同樣存在二階連續偏導數。具體計算如下:

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

顯然與仍是的複合函式,其中是的函式,是的函式。繼續求關於的二階偏導數

高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數
高階偏導數 高階偏導數

同理,我們可以計算另外兩個二階偏導數 。

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