方企勤 第五章 多元函数微分学 第3题

教材习题

📝 题目

例 3 设

$$ f\left( {x,y}\right) = \left\{ \begin{array}{ll} {xy}\sin \frac{1}{\sqrt{{x}^{2} + {y}^{2}}}, & {x}^{2} + {y}^{2} \neq 0, \\ 0, & {x}^{2} + {y}^{2} = 0. \end{array}\right. $$

求证:

(1) ${f}_{x}^{\prime }\left( {0,0}\right) ,{f}_{y}^{\prime }\left( {0,0}\right)$ 存在;

(2) ${f}_{x}^{\prime }\left( {x,y}\right)$ 与 ${f}_{y}^{\prime }\left( {x,y}\right)$ 在(0,0)点不连续;

(3) $f\left( {x,y}\right)$ 在(0,0)点可微.

💡 答案解析

证 (1) 因 $f\left( {x,0}\right) \equiv 0$ ,所以 ${f}_{x}^{\prime }\left( {0,0}\right) = 0$ ; 同样因 $f\left( {0,y}\right) \equiv 0$ , 得 ${f}_{y}^{\prime }\left( {0,0}\right) = 0$ .

(2)容易求出

$$ {f}_{x}^{\prime }\left( {x,y}\right) = \left\{ \begin{array}{ll} y\sin \frac{1}{\sqrt{{x}^{2} + {y}^{2}}} - \frac{y{x}^{2}}{{\left( {x}^{2} + {y}^{2}\right) }^{3/2}} \times \cos \frac{1}{\sqrt{{x}^{2} + {y}^{2}}}, & {x}^{2} + {y}^{2} \neq 0, \\ 0, & {x}^{2} + {y}^{2} = 0. \end{array}\right. $$

令 $y = x$ ,

$$ {f}_{x}^{\prime }\left( {x,x}\right) = x\sin \frac{1}{\sqrt{2}x} - \frac{1}{2\sqrt{2}}\cos \frac{1}{\sqrt{2}x} \rightarrow 0\;\left( {x \rightarrow 0}\right) , $$

故 ${f}_{x}^{\prime }\left( {x,y}\right)$ 在(0,0)点不连续. 同理可知

$$ {f}_{y}^{\prime }\left( {x,y}\right) = \left\{ \begin{array}{ll} x\sin \frac{1}{\sqrt{{x}^{2} + {y}^{2}}} - \frac{x{y}^{2}}{{\left( {x}^{2} + {y}^{2}\right) }^{3/2}} \times \cos \frac{1}{\sqrt{{x}^{2} + {y}^{2}}}, & {x}^{2} + {y}^{2} \neq 0, \\ 0, & {x}^{2} + {y}^{2} = 0 \end{array}\right. $$

在(0,0)点不连续.

(3) 由于 $\frac{y}{\sqrt{{x}^{2} + {y}^{2}}}\sin \frac{1}{\sqrt{{x}^{2} + {y}^{2}}}\left( {{x}^{2} + {y}^{2} \rightarrow 0}\right)$ 是有界变量,当 ${x}^{2} + {y}^{2} \rightarrow 0$ 时, $x$ 是无穷小量,所以

$$ f\left( {x,y}\right) - f\left( {0,0}\right) = 0 \cdot x + 0 \cdot y + o\left( \sqrt{{x}^{2} + {y}^{2}}\right) , $$

按微分定义,函数 $f$ 在(0,0)点可微,且 $\mathrm{d}f\left( {0,0}\right) = \left( {0,0}\right)$ 或 $\mathrm{d}f\left( {0,0}\right)$ $= 0 \cdot \mathrm{d}x + 0 \cdot \mathrm{d}y$ . 可见偏导数连续是可微的充分条件,不是必要条件.

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:证明偏导数在(0,0)存在
计算f(x,0)和f(0,y),发现它们恒为0,因此f_x'(0,0)=0,f_y'(0,0)=0。
公式:f_x'(0,0)=lim_{h→0}(f(h,0)-f(0,0))/h=0
提示:利用定义,沿坐标轴方向计算偏导数。
步骤 2/3
目标:证明偏导函数在(0,0)不连续
先求出(x,y)≠(0,0)时的偏导表达式,然后令y=x,得到f_x'(x,x)=x sin(1/(√2 x)) - (1/(2√2)) cos(1/(√2 x)),当x→0时极限不存在(因为cos项振荡),所以f_x'在(0,0)不连续。同理f_y'也不连续。
公式:f_x'(x,y)=y sin(1/√(x^2+y^2)) - (y x^2)/((x^2+y^2)^(3/2)) cos(1/√(x^2+y^2))
提示:选择特殊路径y=x,观察极限是否与路径有关。
步骤 3/3
目标:证明函数在(0,0)可微
计算增量f(x,y)-f(0,0)=xy sin(1/√(x^2+y^2))。由于|xy|/√(x^2+y^2) ≤ √(x^2+y^2),且sin项有界,所以f(x,y)-f(0,0)=0·x+0·y+o(√(x^2+y^2)),满足可微定义。
公式:f(x,y)-f(0,0)=0·x+0·y+o(√(x^2+y^2))
提示:利用不等式|xy|≤(x^2+y^2)/2,或直接放缩。

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