定义1
设函数f在开集D上的每一点处存在偏导数:
Dif(x)=∂xi∂f(x)(i=1,2,⋯,n)
称它们为f的一阶偏导函数,如果对这些偏导函数又可以取偏导数,得出的就是f的二阶偏导函数,依次可以定义三阶偏导数以及更高阶的偏导数。对于二阶偏导数,将一阶偏导函数∂xj∂f再对xi求偏导数,即∂xi∂f(∂xj∂f)记作∂xi∂xj∂2f,这里i,j独立地从1变到n,如果i=j,那么把∂xi∂xi∂2f记作∂xi2∂2f(i=1,2,⋯,n);如果i=j,这类二阶偏导数称为混合偏导数。
定理1
设开集D⊂R2,f:D→R,如果∂x∂f,∂y∂f,∂y∂x∂2f在(x0,y0)的某个邻域上存在,且∂y∂x∂2f在(x0,y0)处连续,那么∂x∂y∂2f在(x0,y0)处存在,而且
∂x∂y∂2f=∂y∂x∂2f
证:记
φ(h,k)=f(x0+h,y0+k)−f(x0+h,y0)−f(x0,y0+k)+f(x0,y0)
令
g(x)=f(x,y0+k)−f(x,y0)
从而由微分中值定理可知
φ(h,k)=g(x0+h)−g(x0)=g′(x0+θ1h)h=(∂x∂f(x0+θ1h,y0+k)−∂x∂f(x0+θ1h,y0))h=∂y∂x∂2f(x0+θ1h,y0+θ2k)hk
由于∂y∂x∂2f在(x0,y0)处连续,从而有
h→0,k→0limhkφ(h,k)=∂y∂x∂2f(x0,y0)
而又有
k→0limhkφ(h,k)=k→0limh1(kf(x0+h,y0+k)−f(x0+h,y0)−kf(x0,y0+k)−f(x0,y0))=h1(∂y∂f(x0+h,y0)−∂y∂f(x0,y0))
所以
h→0,k→0limhkφ(h,k)=h→0limh1(∂y∂f(x0+h,y0)−∂y∂f(x0,y0))=∂x∂y∂2f(x0,y0)
所以∂x∂y∂2f(x0,y0)存在,而且
∂x∂y∂2f(x0,y0)=∂y∂x∂2f(x0,y0)
Q.E.D.
定理2
设定义在凸区域D⊂Rn上的函数f可微,则对任何两点a,b∈D,在由a,b确定的线段上存在一点ξ,使得
f(b)−f(a)=Jf(ξ)(b−a)
证:由a与b确定的线段上的点可表示为a+t(b−a),这里t∈[0,1],令
φ(t)=f(a+t(b−a))
那么φ是[0,1]上的可微函数,由单变量的微分中值定理可知,存在θ∈(0,1),使得
φ(1)−φ(0)=φ′(θ)
即
f(b)−f(a)=Jf(a+θ(b−a))(b−a)
再令ξ=a+θ(b−a)即证得结论。
Q.E.D.
定理3
设D是Rn中的区域,如果对任意的x∈D,有
∂x1∂f(x)=⋯=∂xn∂f(x)=0
那么f在D上为一个常数。
证:如果D是凸区域,则由定理1立即得出结论。如果D不是凸区域,任取x0∈D,令
A={x∈D:f(x)=f(x0)}B={x∈D:f(x)=f(x0)}
显然A非空,而D=A∪B,由于D是连通开集,若能证明A,B是开集,则由点列极限六的定理3可知,B=∅,从而证得结论。为了证明A是开集,任取a∈A⊂D,存在Br(a)∈D,由于Br(a)是凸区域,从而f在Br(a)上是常数,且对任意的x∈Br(a),有
f(x)=f(a)=f(x0)
从而Br(a)⊂A,也就说明A是开集。同样的方法也可以证明B是开集。再由上面分析可知命题成立。
Q.E.D.
定理4
设k,n是两个正整数,那么
(x1+⋯+xn)k=α1+⋯+αn=k∑α1!⋯αn!k!x1α1⋯xnαn
这里α1,⋯,αn是非负整数。如果记α=(α1,⋯,αn),x=(x1,⋯,xn),且
∣α∣α!xα=α1+⋯+αn=α1!⋯αn!=x1α1⋯xnαn
则上式可简写为
(x1+⋯+xn)k=∣α∣=k∑α!k!xα
证:对加项的个数n作归纳。当n=2时,该定理就是二项式定理,固然成立。先设n−1时命题成立,那么当加项的个数为n时,有
(x1+⋯+xn)k=((x1+⋯+xn−1)+xn)k=αn=0∑kαn!(k−αn)!k!(x1+⋯+xn−1)k−αnxnαn=αn=0∑kαn!(k−αn)!k!α1+αn−1=k−αn∑α1!⋯αn−1!(k−αn)!x1α1⋯xn−1αn−1xnαn=α1+⋯+αn=k∑α1!⋯αn!k!x1α1⋯xnαn
Q.E.D.
定理5:Taylor公式
设D⊂Rn是一个凸区域,f∈Cm+1(D),a=(a1,⋯,an),a+h=(a1+h1,⋯,an+hn)是D中的两个点,则必存在θ∈(0,1),使得
f(a+h)=k=0∑m∣a∣=k∑α!Dαf(a)hα+Rm
其中
Dαf(a)=∂x1α1⋯∂xnαn∂α1+⋯+αnf(a)
且
Rm=∣α∣=m+1∑α!Dαf(a+θh)hα
称为Lagrange余项。
证:固定a,h,设t∈[0,1],考虑[0,1]上的函数φ(t)=f(a+th),显然φ在[0,1]上有m+1阶的连续导数,对φ用单变量函数的Taylor公式,得
φ(1)=φ(0)+φ′(0)+2!1φ′′(0)+⋯+m!1φ(m)(0)+(m+1)!1φ(m+1)(θ)(1)
其中θ∈(0,1)。显然φ(1)=f(a+h),φ(0)=f(a),根据复合函数的求导公式得
φ′(t)=∂x1∂f(a+th)h1+⋯+∂xn∂f(a+th)hn=(h1∂x1∂+⋯+hn∂xn∂)f(a+th)
从而可得
φ′′(t)⋯,φ(m)(t)=(h1∂x1∂+⋯+hn∂xn∂)2f(a+th)=(h1∂x1∂+⋯+hn∂xn∂)mf(a+th)
根据定理4可知,
φ(k)(t)=∣α∣=k∑α!k!∂x1α1∂α1⋯∂xnαn∂αnf(a+th)hα=∣α∣=k∑α!k!Dαf(a+th)hα
所以
φ(k)(0)=∣α∣=k∑α!k!Dαf(a)hα
将其代入(1)式,即得证明的结论。
Q.E.D.
特别地
Taylor公式的前三项写出来就是
f(a+h)=f(a)+∂x1∂f(a)h1+⋯+∂xn∂f(a)hn+21i,j=1∑n∂xi∂xj∂2f(a)hihj+⋯
如果记
Hf(a)=∂x12∂2f(a)⋮∂xn∂x1∂2f(a)⋯⋯∂x1∂xn∂2f(a)⋮∂xn2∂2f(a)
那么上式可写成
f(a+h)=f(a)+Jf(a)h+21hTHf(a)h+⋯
这里Hf称为f的Hesse方阵,它是一个n阶对称方阵。
定理6
设D⊂Rn是一个凸区域,f∈Cm(D),a和a+h是D中的两个点,那么
f(a+h)=k=0∑m∣α∣=k∑α!Dαf(a)hα+o(∥h∥m)(h→0)
证:由定理5可知
f(a+h)=k=0∑m−1∣α∣=k∑α!Dαf(a)hα+∣α∣=m∑α!Dαf(a+θh)hα(2)
其中θ∈(0,1),因为f的m阶偏导数连续,所以
h→0limDαf(a+θh)=Dαf(a)(∣α∣=m)
从而有
Dαf(a+θh)=Dαf(a)+o(1)(h→0)
所以
α!Dαf(a+θh)hα=α!Dαf(a)hα+o(hα)(h→0)
当∣α∣=m时,有
∣hα∣=∣h1α1⋯hnαn∣=∣h1∣α1⋯∣hn∣αn≤∥h∥m
从而
∣α∣=m∑α!Dαf(a+θh)hα=∣α∣=m∑α!Dαf(a)hα+o(∥h∥m)(h→0)
将上式代入(2)式中,即证得命题成立。
Q.E.D.
定理7:拟微分平均值定理
设f:[a,b]→Rm是[a,b]上的连续映射,在开区间(a,b)上可微,那么存在一点ξ∈(a,b)使得
∥f(b)−f(a)∥≤∥Jf(ξ)∥(b−a)
证:设u=f(b)−f(a),利用Rm中的内积来定义函数
φ(t)=⟨u,f(t)⟩(a≤t≤b)
易知φ是[a,b]上的连续函数,并在开区间(a,b)上可微,对φ使用微分中值定理,可知存在一点ξ∈(a,b)使得
φ(b)−φ(a)=(b−a)φ′(ξ)=(b−a)⟨u,Jf(ξ)⟩
而
φ(b)−φ(a)=⟨u,f(b)⟩−⟨u,f(a)⟩=⟨u,f(b)−f(a)⟩=⟨u,u⟩=∥u∥2
由Cauchy-Schwarz不等式,可得
∥u∥2=(b−a)⟨u,Jf(ξ)⟩≤(b−a)∥u∥∥Jf(ξ)∥
当u=0时,式子两边消去∥u∥即得证原命题;若u=0,命题自然成立。
Q.E.D.
定理8
设凸区域D⊂Rn,且映射f:D→Rm在D上可微,则对任何a,b∈D,在由a,b所决定的线段上必有一点ξ,使得
f(b)−f(a)≤∥Jf(ξ)∥∥b−a∥
证:由a与b所决定的线段可表示为
r(t)=a+t(b−a)(0≤t≤1)
令
g(t)=f∘r(t)
映射g在[0,1]上连续,在(0,1)内可微,从而
Jg(t)=Jf(r(t))(b−a)
由定理7可知存在τ∈(0,1),使得
∥g(1)−g(0)∥=∥Jg(τ)∥
即
∥f(b)−f(a)∥≤∥Jf(r(τ))(b−a)∥
令ξ=r(τ),可得
∥f(b)−f(a)∥≤∥Jf(ξ)(b−a)∥≤∥Jf(ξ)∥∥b−a∥
Q.E.D.