全增量与偏增量的关系需要根据函数类型进行具体分析,以下是详细说明:
一、定义与计算方法
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全增量
函数 $f(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 处对应 $(x_0+\Delta x, y_0+\Delta y)$ 的函数值变化量,计算公式为:
$$\Delta z = f(x_0+\Delta x, y_0+\Delta y) - f(x_0, y_0)$$例如,对于函数 $f(x,y) = xy$,在原点 $(0,0)$ 处的全增量为: $$\Delta z = f(\Delta x, \Delta y) - f(0,0) = \Delta x \cdot \Delta y$$
而偏增量分别为: $$\frac{\partial f}{\partial x}(0,0) \Delta x = 0 \cdot \Delta x = 0$$
$$\frac{\partial f}{\partial y}(0,0) \Delta y = 0 \cdot \Delta y = 0$$全增量 $\Delta z = \Delta x \cdot \Delta y$ 不等于偏增量之和(0 + 0)。
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偏增量
偏增量是固定其他变量时,单一变量变化引起的函数值变化量。例如: $$\Delta f_x = f(x_0+\Delta x, y_0) - f(x_0, y_0) \approx f_x(x_0, y_0) \Delta x$$
$$\Delta f_y = f(x_0, y_0+\Delta y) - f(x_0, y_0) \approx f_y(x_0, y_0) \Delta y$$对于 $f(x,y) = xy$,偏导数均为0,故偏增量均为0。
二、线性函数的特殊性
线性函数(如 $f(x,y) = ax + by + c$)的全增量与偏增量满足: $$\Delta z = a \Delta x + b \Delta y = \frac{\partial f}{\partial x} \Delta x + \frac{\partial f}{\partial y} \Delta y$$
即全增量等于偏增量之和。这是因为线性函数的全微分(即线性近似)与实际增量完全一致。
三、非线性函数的一般情况
对于非线性函数,全增量与偏增量通常不满足等式。例如:
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二次函数 :$f(x,y) = x^2 + y^2$,在原点的全增量为 $\Delta z = (\Delta x)^2 + (\Delta y)^2$,而偏增量均为0,显然不等于全增量。
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其他非线性函数 :如 $f(x,y) = \sin(x) \cos(y)$,其偏导数存在但不连续,全增量与偏增量关系复杂。
四、总结
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线性函数 :全增量等于偏增量之和,且可微性等价于可导性。
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非线性函数 :全增量与偏增量一般不相等,可微性需要通过全增量与偏增量之和的线性关系判断。
理解这一关系需结合函数的具体形式,可通过计算全微分与实际增量的差值来验证。