多元函数的全微分的几何意义是啥???麻烦给个详细分析,不胜感激!!!

立言與徳
2014-03-21 · TA获得超过1145个赞
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多元函数的全微分(其实叫微分就够了)有两种意义。一种是传统的解释,一种则是在微分流形理论中所给的解释。相比较而言,后者完美,当然也比较抽象。


先说传统解释。以三元函数 f(x, y, z) 为例,其微分

的意义体现在估算函数增量上:当自变量从 (x, y, z) 变化到 (x + \Delta x, y + \Delta y, z + \Delta z) 以后,相应的函数增量的定义是

对这个增量进行近似计算的时候,如果只是准确到增量的一阶项,则有

至此,就出现了微分的传统意义:如果把自变量的微分解释为自变量的增量,则函数的微分给出的函数增量的近似值,准确到各个自变量的增量的一阶项。也就是说,它和精确的函数增量之差是各个自变量增量的高阶无穷小,如下所示:

所以,传统意义上的全微分可以用这样一句话来概括:全微分是函数增量的线性化。


这种解释虽然容易理解,但是也有说不清的地方。其一,微分和增量毕竟是两码事,一个是“无穷小”的东西,一个是有限的东西,后者无论怎样小也不能变成前者,因为“没有最小,只有更小。”其二,为什么在全微分表达式(即第一个式子)中左右两边精确地相等,到了第三个式子就成了近似了?这还是说明增量和微分有天壤之别,那么这种分别到底在哪里?没有讲清楚。


微分流形理论就把这件事情讲清楚了。


首先,它不认为微分(不管它是自变量的微分还是因变量的微分)是无穷小,因为“无穷小”本来就是说不清的东西,以说不清的东西来解释其他事情岂不是等于没有解释?


其次,函数 f 的微分必须要和空间点 p (x, y, z) 联系在一起,不同的点上的 df 是不可以等同看待的。所以,p 点的那个 df 应该记作

以区别于其他点上的 df.


在上述基础上,微分流形理论把 p 点的 df 看作一个映射。微分流形理论把这件事情讲得比较抽象,抽象到和坐标没有关系,讲清楚这些问题就差不多要给你开微分流形课程了,所以我还是借用坐标来说好了:如果 p 点有一个矢量 v,它沿着 x 轴、y 轴和 z 轴的分量分别是 X, Y, Z,则说

把这个矢量 v 映射为一个数

一句话:函数 f 在 p 点的微分是一个关于矢量 v 的函数。这个函数对矢量 v 是线性依赖的。特别是,微分 dx 在 p 点也是一个关于矢量 v 的线性函数,它把 v 直接映射为 v 的 x 分量 X; 其他如 dy, dz 等也是类似的。


为什么这样定义呢?首先,它完满地绕过了莫名其妙的无穷小概念;而所导致的公式和传统意义上的微分公式是一样的:

其次,这种定义的几何解释也很明确。设想有一条曲线 C 经过点 p,而且在 p 点的切矢量刚好是 v,那么函数 f 限制在曲线 C 上就是一个一元函数了(自变量是 C 的曲线参数)。这时候,你对这一个一元函数求导数,则 p 点对应的那个导数值就是倒数第二个式子。你可以实际计算一下就可以检验这个结论。用一个例子可以直观地说明一切。假设 f 代表三维空间中的温度分布(不随时间变化),你在空中沿着曲线 C飞翔,那么你就会随着时间的不同而感受到不同的温度,这时候你当然可以计算你所感受的温度的变化率了。在你经过 p 的时候,假设你的速度刚好是 v,则你计算出来的温度变化率就是倒数第二个式子所给的结果。

醉影轩辕
2014-03-21
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