更新微分

advanced-math/exercise/6-differential-calculus-of-multivariate-functions/differential-calculus-of-multivariate-functions.tex

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+\section{基本概念}
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+\subsection{复合函数}
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+函数以复合函数形式$f(g(x,y))$出现，函数的变量是一个整体。
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+\subsubsection{链式法则}
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+若是给出相应的不等式可以通过链式法则求出对应的表达式。
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+\textbf{例题：}设$u=u(\sqrt{x^2+y^2})$（$r=\sqrt{x^2+y^2}>0$）有二阶连续的偏导数，且满足$\dfrac{\partial^2u}{\partial x^2}+\dfrac{\partial^2u}{\partial y^2}-\dfrac{1}{x}\dfrac{\partial u}{\partial x}+u=x^2+y^2$，则求$u(\sqrt{x^2+y^2})$。
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+解：这个函数是复合函数$u=u(r)$和$r=\sqrt{x^2+y^2}$而成。根据复合函数求导法则：
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+$\dfrac{\partial u}{\partial x}=\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}r}\dfrac{\partial r}{\partial x}=\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}r}\dfrac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}=\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}r}\dfrac{x}{r}$。
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+$\dfrac{\partial^2u}{\partial x^2}=\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{\partial u}{\partial x}\right)=\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}r}\dfrac{x}{r}\right)=\dfrac{x}{r}\cdot\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}r}\right)+\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}r}\cdot\dfrac{\partial}{\partial x}\left(\dfrac{x}{r}\right)=$。
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+\subsubsection{特殊值反代}
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+若是给出的不等式后还给出对应的特殊值，可以直接代入然后反代求出函数，而不用链式法则。
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+\textbf{例题：}设$z=e^x+y^2+f(x+y)$，且当$y=0$时，$z=x^3$，则求$\dfrac{\partial z}{\partial x}$。
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+解：已知$y=0$时，$z=e^x+f(x)=x^3$，$\therefore f(x)=x^3-e^x$，$f(x+y)=(x+y)^3-e^{x+y}$，$z=e^x+y^2+(x+y)^3-e^{x+y}$。
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+$\therefore\dfrac{\partial z}{\partial x}=e^x+3(x+y)^2-e^{x+y}$。
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+\section{二元函数}
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+函数以$f(u,v)$的形式来出现，需要分别对其求偏导。
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+\subsection{链式法则}
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+\textbf{例题：}设$z=e^{xy}+f(x+y,xy)$，$f(u,v)$有二阶连续偏导数，求$\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}$。
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+解：令$x+y$为$u$，$xy$为$v$，$f(u,v)$对$u$求导就是$f_1'$，对$v$求导就是$f_2'$，求$uv$依次求导就是$f_{12}''$，以此类推。
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+首先求一次偏导：$\dfrac{\partial z}{\partial x}=ye^{xy}+\dfrac{\partial f(u,v)}{\partial u}\dfrac{\partial u}{\partial x}+\dfrac{\partial f(u,v)}{\partial v}\dfrac{\partial v}{\partial x}=ye^{xy}+f_1'+f_2'y$。
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+接着对$y$求偏导：$\dfrac{\partial^2z}{\partial x\partial y}=e^{xy}+xye^{xy}+\dfrac{\partial f_1'}{\partial y}+\dfrac{\partial f_2'y}{\partial y}$。
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+$=e^{xy}+xye^{xy}+\dfrac{\partial f_1'}{\partial y}+\dfrac{\partial f_2'}{\partial y}y+f_2'\dfrac{\partial y}{\partial y}=e^{xy}+xye^{xy}+\dfrac{\partial f_1'}{\partial u}\dfrac{\partial u}{\partial y}+\dfrac{\partial f_1'}{\partial v}\dfrac{\partial v}{\partial y}+\dfrac{\partial f_2'}{\partial u}\dfrac{\partial u}{\partial y}y+\dfrac{\partial f_2'}{\partial v}\dfrac{\partial v}{\partial y}y+f_2'=e^{xy}+xye^{xy}+f_{11}''+f_{12}''x+f_{21}''y+f_{22}''xy+f_2'$。\medskip
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+又$f(u,v)$具有两阶连续偏导数，所以$f_{12}''=f_{21}''$。
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+即$=e^{xy}+xye^{xy}+f_{11}''+(x+y)f_{12}''+xyf_{22}''+f_2'$。
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 \section{多元函数微分应用}
 
 \subsection{空间曲线的切线与法平面}

advanced-math/exercise/9-differential-equation/differential-equation.tex

@@ -88,6 +88,8 @@ $\therefore\ln(u+\sqrt{1+u^2})=-\ln x+\ln C$，$u+\sqrt{1+u^2}=\dfrac{C}{x}$。
 
 \subsection{一阶线性方程}
 
+形如$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y=Q(x)$。
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 \textbf{例题：}求微分方程$y'+1=e^{-y}\sin x$的通解。
 
 解：已知对$e^{-y}\sin x$无法处理，所以必然需要对其转换，$e^yy'+e^y=\sin x$。
@@ -98,6 +100,8 @@ $e^y=u=e^{-\int\textrm{d}x}(\int e^{\int\textrm{d}x}\sin x\,\textrm{d}x+C)=e^{-x
 
 \subsection{伯努利方程}
 
+形如$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}+P(x)y=Q(x)y^n$。
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 \textbf{例题：}求$y\,\textrm{d}x=(1+x\ln y)x\,\textrm{d}y$（$y>0$）的通解。
 
 解：将导数放到一边：$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{y}{(1+x\ln y)x}$，这个算式无法处理。
@@ -132,8 +136,6 @@ $y'=C(1+x^2)$，$\therefore y=C_2\left(x+\dfrac{x^3}{3}+x\right)+C$。
 
 \subsection{常系数齐次线性微分方程}
 
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 \subsection{常系数非齐次线性微分方程}
 
 先将常系数非齐次线性微分方程变为常系数齐次线性微分方程求解，然后加上非齐次方程的一个特解，就是非齐次方程的一个通解。

advanced-math/knowledge/9-differential-equation/differential-equation.tex

@@ -124,7 +124,7 @@ $\therefore y=\pm e^{x^2}e^C=\pm C_1e^{x^2}=C_2e^{x^2}$。
 
 也可能出现$\dfrac{\textrm{d}x}{\textrm{d}y}=\varphi\left(\dfrac{x}{y}\right)$。
 
-令$u=\dfrac{y}{x}$，则$y=ux$变为$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=u+x\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}$，从而原方程变为$x\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}+u=\varphi(u)$，即$\dfrac{\textrm{d}u}{\varphi(u)-u}=\dfrac{\textrm{d}x}{x}$。
+令$u=\dfrac{y}{x}$，则$y=ux$变为$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=u+x\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}$（$u$不是一个常数而是一个关于$x$的函数，所以$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}\neq u$），从而原方程变为$x\dfrac{\textrm{d}u}{\textrm{d}x}+u=\varphi(u)$，即$\dfrac{\textrm{d}u}{\varphi(u)-u}=\dfrac{\textrm{d}x}{x}$。
 
 如$(xy-y^2)\textrm{d}x-(x^2-2xy)\textrm{d}y=0$可以化为$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{xy-y^2}{x^2-2xy}$，即$\dfrac{\textrm{d}y}{\textrm{d}x}=\dfrac{\dfrac{y}{x}-\left(\dfrac{y}{x}\right)^2}{1-2\left(\dfrac{y}{x}\right)}$。