如何理解偏导数与全微分(图文版)

如何理解偏导数与全微分(图文版)

微积分是现代科学的基石之一，它帮助我们理解自然界中的变化规律。其中，偏导数与全微分是微积分中的核心概念，它们不仅在数学理论中占据重要地位，还在物理学、工程学、经济学等多个领域有着广泛的应用。本文将通过图文结合的方式，深入浅出地讲解这些抽象的数学概念，帮助读者建立直观的理解。

线性近似是微积分的核心思想，在《马同学图解微积分（上）》中这点体现为，可通过某直线来近似某曲线在
点及其附近的图像，该直线称为该曲线在
点的微分，或称为该曲线在
点的切线，如下图所示。
某曲线在
点的微分，指可近似该曲线在
点及其附近图像的直线
同样的，可通过某平面来近似某曲面在
点及其附近的图像，该平面称为该曲面在
点的微分，也称为该曲面在
点的全微分，或称为该曲面在
点的切平面，如下图所示。
某曲面在
点的微分，指可近似该曲面在
点及其附近图像的平面
从上面的举例可看出，“微分”在数学中指代的就是线性近似中的“线性”，具体如下所示（还有很多种微分，比如在《马同学图解微积分(上)》中学习过的弧微分、面积微分、体积微分等，也是类似的）：
在后面的讲解中如果必要，会使用“曲线的微分”、“曲面的微分”进行区分，也会视情况使用“微分（切线）”以及“微分（切平面）”。
本课和下一课会介绍两种寻找某曲面在
点的微分的方法，先来看看第一种的思路。
1 寻找曲面微分的思路
显然，有无数条曲线包含在某曲面在
点及其附近图像中，比如下图绘出的两条红色曲线。

如果能近似某曲面在
点及其附近图像的平面存在，即某曲面在
点的微分存在，此时称在
点可微分，那么：

• 该曲面微分必可近似曲面所包含的曲线，如下图所示，其中蓝色平面即该曲面微分
• 上图中的曲线的微分必包含在该曲面微分中，如下图所示，其中黑色直线就是这些曲线的微分
  我们知道两根不重合的相交直线可以决定一个平面，结合上面的分析，所以接下来的事情是：
• 找到某曲面上方便计算的两条曲线
• 求出这两条曲线的微分
• 通过这两个微分计算出我们要寻找的平面，即某曲面在 点的微分
  接下来的两节就会逐一完成上面的三件事情。
  2 偏微分
  本节会完成两件事情，找到某曲面上方便计算的两条曲线，以及求出这两条曲线的微分。
  
  这两根曲线在
  点的微分，即下图中的两根黑色直线，显然是不重合的。在数学中，它们分别被称为曲面
  在
  点
  ，及曲面
  在
  点
  ，或笼统地称为曲面
  在
  点的偏微分（Partial differential）。
  
  3 偏导数
  接着的任务就是求出上述的偏微分，这需要把这两条空间曲线用代数表示出来。以其中位于曲面上、过
  点、平行于
  轴的空间曲线为例，该空间曲线可以看作平面
  与曲面
  的交线，如下图所示。根据空间曲线的一般方程，所以该空间曲线的方程为
  。
  
  该空间曲线的微分，即曲面
  在
  点对
  的偏微分，也在平面
  上，如下图所示。
  
  上述空间曲线可看作xOz 面上的平面曲线
  要求出
  在
  点的微分，自然需要先求出
  在
  点的导数
  。根据单变量函数导数的定义，所以有：
  在多元函数的微积分中，上述导数也称为偏导数。其具体定义如下：
  4 偏微分的求解
  有了偏导数后，结合上单变量函数微分的定义，就可得平面曲线
  在
  点的微分为
  ，这是在
  点建立的
  坐标系中过原点的直线，如下图所示（还有不清楚的，可以查看《马同学图解微积分（上）》中的讲解）。
  05:24
  什么是微分｜马同学图解微积分
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  若在空间中的
  点建立
  坐标系，如下图所示。
  
  将
  变换到
  坐标系下，空间曲线
  在
  点的微分，也就是曲面
  在
  点对
  的偏微分，这是在
  平面（即
  平面）上的直线，如下图所示。
  5 全微分
  本节会完成最后一件事情，根据两个微分求出曲面
  在
  点的微分，或者说求出曲面
  在
  点的全微分。
  
  和
  位于曲面
  在
  点的全微分上，其叉积
  是全微分的法向量，如下图所示。
  
  根据叉积的定义，可得：
  知道了曲面
  在
  点的全微分的法向量
  ，又该全微分会过
  坐标系的
  点，所以根据平面的点法式方程，可得全微分
  的方程为：
  6 小结
  至此，我们求出了曲面的线性近似，也就是某曲面在
  点的全微分。但涉及到
  以及
  这些坐标系，所以代数看上去特别复杂，这里特别总结如下：