多元函数taylor展开公式(多元函数微分公式)

设:m,n∈N,m,n≥1,m,n\in\mathbbN,m,n\ge1,Dj=∂∂xj{\mathrm{D}}_j=\frac{\partial}{\partialx_j}Djn=(∂∂xj)n=∂n∂xnj{{\mathrm{D}}_j}^n=(\frac{\partial}{\partialx_j})^n=\frac{\partial^

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

设:
m,n∈N,m,n≥1,
Dj=∂∂xj
Djn=(∂∂xj)n=∂n∂xnj
DimDjn=(∂∂xi)m(∂∂xj)n=∂m+n∂xmi∂xnj

高阶微分公式

若: y=f(x):Rn→R,k 阶可微, n,k∈N,n,k≥1,
则:

∀k∈N,k≥1,dky=⎡⎣∑j=1n(dxjDj)⎤⎦ky

证明:

k=1 时显然成立。
设 k 时成立,
由

(∑nj=1xj)k=∑1≤n1,⋯,nk≤n∏kj=1xnj
可得:

dk+1y=d(dky)=d{
[∑nj=1(dxjDj)]ky}
=

=d[∑1≤n1,⋯,nk≤n∏kj=1(dxnjDnj)y]

=∑1≤n1,⋯,nk≤n(∏kj=1dxnj)d(∏kj=1Dnj)y

=∑1≤n1,⋯,nk≤n(∏kj=1dxnj)[∑1≤nk+1≤ndxnk+1Dnk+1(∏kj=1Dnj)y]

=∑1≤n1,⋯,nk≤n(∏kj=1dxnj)(∑1≤nk+1≤ndxnk+1Dnk+1∏kj=1Dnjy)

=∑1≤n1,⋯,nk+1≤n(∏kj=1dxnj)(dxnk+1Dnk+1∏kj=1Dnjy)

=∑1≤n1,⋯,nk+1≤n(∏k+1j=1dxnj)(∏k+1j=1Dnjy)

=∑1≤n1,⋯,nk+1≤n∏k+1j=1(dxnjDnj)y

=[∑nj=1(dxjDj)]k+1y

Taylor公式

设 f(x1,⋯,xn) 在点 x 的邻域 U 上有

k+1
阶连续偏导数, k∈N,k≥1, 则: ∀x′=x+Δx∈U,∃θ∈(0,1),
Δy=∑ki=11i![∑nj=1(ΔxjDj)]if(x)+1(k+1)![∑nj=1(ΔxjDj)]k+1f(x+θΔx)

证明:

令 φ(t)=f(x+tΔx),t∈[0,1],
则由数学归纳法(证明在后面)可得:
∀i∈N,i≥1, 若 f(x) 在点 (x+tΔx) 有 i 阶连续偏导数,则:


φ(i)(t)=[∑nj=1(ΔxjDj)]if(x+tΔx),(*)

于是 φ(t) 在 [0,1] 有 k 阶连续偏导数, 在

(0,1)
有 k+1 阶导数,
由 Taylor 公式, ∃θ∈(0,1),
Δy=f(x+Δx)−f(x)
=φ(1)−φ(0)=∑ki=11i!⋅φ(i)(0)+1(k+1)!⋅φ(k+1)(θ)
∑ki=11i![∑nj=1(ΔxjDj)]if(x)+1(k+1)![∑nj=1(ΔxjDj)]k+1f(x+θΔx)

(*) 的证明:

由多元复合函数的求导法则, i=1 时显然成立。
设 i=k 时成立,则 i=k+1 时:
由 (∑nj=1xj)k=∑1≤n1,⋯,nk≤n∏kj=1xnj 可得:

φ(k+1)(t)=ddt(φ(k)(t))

=ddt[∑nj=1(ΔxjDj)]kf(x+tΔx)

=ddt[∑1≤n1,⋯,nk≤n∏kj=1(ΔxnjDnj)f(x+tΔx)]

=∑1≤n1,⋯,nk≤nddt[∏kj=1(ΔxnjDnj)f(x+tΔx)]

=∑1≤n1,⋯,nk≤nddt[(∏kj=1Δxnj)(∏kj=1Dnj)f(x+tΔx)]

=∑1≤n1,⋯,nk≤n(∏kj=1Δxnj)ddt[∏kj=1Dnjf(x+tΔx)]

=∑1≤n1,⋯,nk≤n(∏kj=1Δxnj)∑1≤nk+1≤n(Δxnk+1Dnk+1)[∏kj=1Dnjf(x+tΔx)]

=∑1≤n1,⋯,nk+1≤n(∏kj=1Δxnj)Δxnk+1Dnk+1∏kj=1Dnjf(x+tΔx)

=∑1≤n1,⋯,nk+1≤n(∏k+1j=1Δxnj)(∏k+1j=1Dnj)f(x+tΔx)

=∑1≤n1,⋯,nk+1≤n∏k+1j=1(ΔxnjDnj)f(x+tΔx)

=[∑nj=1(ΔxjDj)]k+1f(x+tΔx)

推论

df(x)≡0⇔f(x) 是常量。

证明:

1) ⇒ : df(x)≡0⇒∂∂xjf(x)=0,∀j∈N,1≤j≤n,
由Taylor公式,
Δy=[∑nj=1(ΔxjDj)]f(x+θΔx)
=∑nj=1Δxj∂∂xjf(x+θΔx)
=0
⇒f(x) 是常量。
2) ⇐ : f(x) 是常量 ⇒df(x)≡0

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