设开集D⊂Rn,f:D→Rm。记f的分量依次为f1,f2,⋯,fm,可以把f(x)写成
f(x)=f1(x)f2(x)⋮fm(x)(x∈D)
设点x0∈D,h∈Rn。由于x0是D的内点,所以总可以找到充分小的∥h∥使得x0+h∈D。
定义1
如果映射f满足
f(x0+h)−f(x0)=Ah+r(h)
式中A是一个m×n矩阵,它的元素不依赖于h,且
h→0lim∥h∥∥r(h)∥=0
则称映射f在点x0处可微,并称Ah是f在点x0处的微分,记作
df(x0)=Ah
定理1
若映射f在点x0处可微,则有
df(x0)=Jf(x0)h
其中
Jf(x0)=∂x1∂f1(x0)⋮∂x1∂fm(x0)⋯⋯∂xn∂f1(x0)⋮∂xn∂fm(x0)
称之为映射f在点x0处的Jacobi矩阵,也称为导数。
证:有定义可知,
f(x0+h)−f(x0)=Ah+r(h)
设
A=a11⋮am1⋯⋯a1n⋮amn
将其代入上式中得
fi(x0+h)−fi(x0)=j=1∑naijhj+ri(h)
其中ri(h)表示r(h)的第i个分量,由r(h)的性质可知
ri(h)=o(∥h∥)(h→0,i=1,2,⋯,m)
从而继续由函数导数八定理1可知
aij=∂xj∂fi(x0)(i=1,2,⋯,m;j=1,2,⋯,n)
从而得证。
Q.E.D.
定理2
若映射f在点x0的某一邻域内存在Jacobi矩阵Jf,且Jf的各元素在x0处都连续,则映射f在点x0处可微。
证:由定理1与函数导数八的定理2易证。
Q.E.D.
定义2
设开集D⊂Rn,f:D→Rm。如果f在D上的每一点处都连续,则记f∈C(D);如果Jf在D上的每一点处都连续,则记f∈C1(D)。
定理3
设开集D⊂Rn,g:D→Rm,g在点x0∈D处可微,又设f把包含g(D)的一个开集映射至Rl,并且f在g(x0)处可微,那么复合映射f∘g在点x0处可微,并且
J(f∘g)(x0)=Jf(g(x0))Jg(x0)
证:令y0=g(x0),A=Jf(y0),B=Jg(x0),易知A是l×m矩阵,B是m×n矩阵,从而若能证明
∥h∥→0lim∥h∥∥(f∘g)(x0+h)−(f∘g)(x0)−ABh∥=0(1)
则由定义1可知,J(f∘g)(x0)=AB。
由于g,f分别在x0,y0处可微,从而有
g(x0+h)−g(x0)=Bh+u(h)f(y0+k)−f(y0)=Ak+v(k)(2)
其中h,k分别为n×1矩阵和m×1矩阵,且
∥h∥∥u(h)∥→0(∥h∥→0)∥k∥∥v(k)∥→0(∥k∥→0)
记
∥h∥∥u(h)∥=ε(h),∥h∥∥v(h)∥=η(h)
则
∥u(h)∥=ε(h)∥h∥,∥v(k)∥=η(k)∥k∥
且
∥h∥→0limε(h)=0,∥k∥→0limη(k)=0(3)
对给定的h,令k=g(x0+h)−g(x0),由式(2)可得
∥k∥≤∥Bh∥+∥u(h)∥≤(∥B∥+ε(h))∥h∥
从而有
∥f∘g(x0+h)−f∘g(x0)−ABh∥=∥f(g(x0+h))−f(g(x0))−ABh∥=∥f(y0+k)−f(y0)−ABh∥=∥Ak+v(k)−ABh∥=∥A(k−Bh)+vk∥≤∥A∥u(h)+η(k)∥k∥≤∥A∥ε(h)∥h∥+η(k)(∥B∥+ε(h))∥h∥
所以
∥h∥∥(f∘g)(x0+h)−(f∘g)(x0)−ABh∥≤∥A∥ε(h)+η(k)(∥B∥+ε(h))
再由式(3)可知式(1)成立。
Q.E.D.