20211012隐函数求导公式

一、一个方程的情形

隐函数存在定理1:

设函数 在点 的某一邻域内具有连续的偏导数,且 ,则方程 在点 的某一邻域内恒能确定一个连续具有连续导数的函数 ,它满足条件 ,并有

公式 就是隐函数求导公式。

将方程 所确定的函数 代入 ,的恒等式:

其左端可看作是 的一个复合函数,求这个函数的全导数,由于恒等式两端求导后仍然恒等,即得:

因为 连续,且 ,所以存在 的一个邻域,在这个邻域内 ,于是得

如果 的二阶偏导数也都连续,可以把等式 的两端看做 的复合函数而再一次求导:
\begin{align} \cfrac{\mathrm{d}^2 y}{\mathrm{d}x^2} &= \cfrac{\partial}{\partial x} \left( -\cfrac{F_x}{F_y} \right) + \cfrac{\partial}{\partial x} \left( -\cfrac{F_x}{F_y} \right) \cfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} \nonumber \\ &= - \cfrac{F_{xx}F_y - F_{yx}F_x}{F^2_y} - \cfrac{F_{xy}F_y - F_{yy}F_x}{F^2_y} \left(-\cfrac{F_x}{F_y} \right) \nonumber \\ &= - \cfrac{F_{xx}F_y - 2F_{xy} F_x F_y + F_{yy}F^2_x}{F^3_y} \nonumber \end{align}

隐函数存在定理2:

设函数 在点 的某一邻域内具有连续的偏导数,且 ,则方程 在点 的某一邻域内恒能唯一确定一个连续具有连续导数的函数 ,它满足条件 ,并有

例题:设 ,求 .

解: 设 ,则 .当 时,应用公式 得,

再一次对 求偏导数,得:
\cfrac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \cfrac{(2 - z) + x \cfrac{\partial z}{\partial x}}{(2 - z)^2} = \cfrac{(2 - z) + x \left(\cfrac{x}{2 - z} \right)}{(2 - z)^2} = \cfrac{(2 - z)^2 + x^2}{(2 - z)^3} \nonumber

二、方程组的情形

隐函数存在定理3:

设函数 在点 的某一邻域内具有对各个变量的连续偏导数,又 ,且偏导数所组成的函数行列式(或称为雅克比 式)
J = \cfrac{\partial (F, G)}{\partial (u, v)} = \left| \begin{array}{cc} \cfrac{\partial F}{\partial u} & \cfrac{\partial F}{\partial v} \\ \cfrac{\partial G}{\partial u} & \cfrac{\partial G}{\partial v} \end{array} \right| \nonumber
再点 不等于零,则方程组 在点 的某一邻域内恒能唯一确定一组连续且具有连续偏导数的函数 ,它们满足条件 ,并有
\begin{align} \cfrac{\partial u}{\partial x} &= -\cfrac{1}{J} \cfrac{\partial (F, G)}{\partial (x, v)} = -\cfrac{\left| \begin{array}{cc} F_x & F_v \\ G_x & G_v\end{array} \right|}{\left| \begin{array}{cc} F_u & F_v \\ G_u & G_v\end{array} \right|}, \nonumber \\ \cfrac{\partial v}{\partial x} &= -\cfrac{1}{J} \cfrac{\partial (F, G)}{\partial (u, x)} = -\cfrac{\left| \begin{array}{cc} F_u & F_x \\ G_u & G_x\end{array} \right|}{\left| \begin{array}{cc} F_u & F_v \\ G_u & G_v\end{array} \right|}, \nonumber \\ \cfrac{\partial u}{\partial y} &= -\cfrac{1}{J} \cfrac{\partial (F, G)}{\partial (y, v)} = -\cfrac{\left| \begin{array}{cc} F_y & F_v \\ G_y & G_v\end{array} \right|}{\left| \begin{array}{cc} F_u & F_v \\ G_u & G_v\end{array} \right|}, \nonumber \\ \cfrac{\partial v}{\partial y} &= -\cfrac{1}{J} \cfrac{\partial (F, G)}{\partial (u, y)} = -\cfrac{\left| \begin{array}{cc} F_u & F_y \\ G_u & G_y\end{array} \right|}{\left| \begin{array}{cc} F_u & F_v \\ G_u & G_v\end{array} \right|}. \nonumber \end{align} \tag{3} \label{eq3}

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