新讲 第12章 多元微分学 第6题

教材习题

📝 题目

例 6 对于更一般的 $m$ 元函数,考虑与上例类似的问题: 设 $f\left( x\right) = f\left( {{x}_{1},{x}_{2},\cdots ,{x}_{m}}\right)$ 是 $n$ 阶连续可微的函数,记

$$ \varphi \left( t\right) = f\left( {x + {th}}\right) $$

$$ = f\left( {{x}_{1} + t{h}_{1},{x}_{2} + t{h}_{2},\cdots ,{x}_{m} + t{h}_{m}}\right) . $$

试计算 ${\varphi }^{\left( n\right) }\left( t\right)$ .

💡 答案解析

解 设 $g\left( x\right) = g\left( {{x}_{1},{x}_{2},\cdots ,{x}_{m}}\right)$ 是连续可微函数,记

$$ \psi \left( t\right) = g\left( {x + {th}}\right) $$

$$ = g\left( {{x}_{1} + t{h}_{1},{x}_{2} + t{h}_{2},\cdots ,{x}_{m} + t{h}_{m}}\right) . $$

与上例中类似,我们注意到: 以 $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}$ 作用于 $\psi \left( t\right)$ ,相当于以算子

$$ \left( {{h}_{1}\frac{\partial }{\partial {x}_{1}} + {h}_{2}\frac{\partial }{\partial {x}_{2}} + \cdots + {h}_{m}\frac{\partial }{\partial {x}_{m}}}\right) $$

作用于

$$ g\left( {{x}_{1} + t{h}_{1},{x}_{2} + t{h}_{2},\cdots ,{x}_{m} + t{h}_{m}}\right) . $$

运用这一观察结果, 我们求得

$$ {\varphi }^{\prime }\left( t\right) = \left( {{h}_{1}\frac{\partial }{\partial {x}_{1}} + \cdots + {h}_{m}\frac{\partial }{\partial {x}_{m}}}\right) f\left( {x + {th}}\right) , $$

$$ {\varphi }^{\prime \prime }\left( t\right) = {\left( {h}_{1}\frac{\partial }{\partial {x}_{1}} + \cdots + {h}_{m}\frac{\partial }{\partial {x}_{m}}\right) }^{2}f\left( {x + {th}}\right) , $$

..................................................

$$ {\varphi }^{\left( n\right) }\left( t\right) = {\left( {h}_{1}\frac{\partial }{\partial {x}_{1}} + \cdots + {h}_{m}\frac{\partial }{\partial {x}_{m}}\right) }^{n}f\left( {x + {th}}\right) . $$

对于连续可微足够多次的函数,求偏导数的运算 $\frac{\partial }{\partial {x}_{1}},\cdots ,\frac{\partial }{\partial {x}_{m}}$ 可以互相交换顺序. 涉及 $\frac{\partial }{\partial {x}_{1}},\cdots ,\frac{\partial }{\partial {x}_{m}}$ 这些算子的相加,相乘以及乘以实数的运算, 遵循多项式代数中有关文字符号的运算法则. 因此, 对

$$ {\left( {h}_{1}\frac{\partial }{\partial {x}_{1}} + {h}_{2}\frac{\partial }{\partial {x}_{2}} + \cdots + {h}_{m}\frac{\partial }{\partial {x}_{m}}\right) }^{n} $$

可以按照代数中的“多项式定理”(参看本节后的补充内容)予以展开:

$$ {\left( {h}_{1}\frac{\partial }{\partial {x}_{1}} + {h}_{2}\frac{\partial }{\partial {x}_{2}} + \cdots + {h}_{m}\frac{\partial }{\partial {x}_{m}}\right) }^{n} $$

$$ = \mathop{\sum }\limits_{{{p}_{1} + \cdots + {p}_{m} = n}}\frac{n!}{{p}_{1}!\cdots {p}_{m}!}{h}_{1}^{{p}_{1}}\cdots {h}_{m}^{{p}_{m}}\frac{{\partial }^{n}}{\partial {x}_{1}^{{p}_{1}}\cdots \partial {x}_{m}^{{p}_{m}}}, $$

这里

$$ \frac{n!}{{p}_{1}!{p}_{2}!\cdots {p}_{m}!}\;\left( {{p}_{1} + {p}_{2} + \cdots + {p}_{m} = n}\right) $$

是多项式系数.

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:引入辅助函数并观察微分算子
设 g(x) 连续可微,定义 ψ(t)=g(x+th)。注意到 d/dt 作用于 ψ(t) 等价于算子 (h1 ∂/∂x1 + ... + hm ∂/∂xm) 作用于 g(x+th)。
公式:d/dt ψ(t) = (h1 ∂/∂x1 + ... + hm ∂/∂xm) g(x+th)
提示:将求导视为算子作用,便于推广到高阶。
步骤 2/4
目标:计算 φ(t) 的一阶导数
应用上述观察,对 φ(t)=f(x+th) 求导得 φ'(t) = (h1 ∂/∂x1 + ... + hm ∂/∂xm) f(x+th)。
公式:φ'(t) = (h1 ∂/∂x1 + ... + hm ∂/∂xm) f(x+th)
提示:直接代入算子形式。
步骤 3/4
目标:计算 φ(t) 的高阶导数
重复应用算子,得到 φ''(t) = (h1 ∂/∂x1 + ... + hm ∂/∂xm)^2 f(x+th),依此类推,φ^(n)(t) = (h1 ∂/∂x1 + ... + hm ∂/∂xm)^n f(x+th)。
公式:φ^(n)(t) = (h1 ∂/∂x1 + ... + hm ∂/∂xm)^n f(x+th)
提示:算子幂次对应求导次数。
步骤 4/4
目标:展开算子幂次为多项式形式
由于偏导数可交换,算子幂次可按多项式定理展开: (h1 ∂/∂x1 + ... + hm ∂/∂xm)^n = Σ_{p1+...+pm=n} (n!/(p1!...pm!)) h1^{p1}...hm^{pm} ∂^n/(∂x1^{p1}...∂xm^{pm})。
公式:φ^(n)(t) = Σ_{p1+...+pm=n} (n!/(p1!...pm!)) h1^{p1}...hm^{pm} ∂^n f(x+th)/(∂x1^{p1}...∂xm^{pm})
提示:多项式系数与二项式系数类似,注意求和条件。

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