多元微积分
约定
- 有多元标量函数 u(x,y,z),v(x,y,z)
- 有多元矢量函数 A(x,y,z)=(P,Q,R),B, 其中 P,Q,R 均为多元标量函数
- 有一般标量常数 c,d
多元函数微分
多元函数的微分特征
梯度
grad(u)=(∂x∂u,∂y∂u,∂z∂u)
多元函数 u 在点 (x,y,z) 沿梯度方向上有着最快的变化速度, 并且有着最大的方向导数, 即梯度的模
对于多元函数的全微分即可使用梯度表示成如下形式
df=grad(f)⋅dr
散度
div(A)=∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R
对矢量场 A 中的闭合曲面 S 围成的空间 V, 定义通量
Φ=S∮A⋅ds
对于 S 的中心点 (x,y,z), 定义矢量场的散度
div(A)=V→0limVΦ
散度可以体现空间中一点 (x,y,z) 为中心的微元体 dV 是否散发或者吸收通量, 当一点的散度为 0, 表明进入与离开该点的通量相同
参考文献
https://wuli.wiki/online/Divgnc.htmlopen in new window
旋度
rot(A)=i∂x∂Pj∂y∂Qk∂z∂R
对于平面中质点的运动可以分解为绕轴旋转与平动
v=v0+ω×r=(v0y+ωx)j+(v0x−ωy)i
为了求出该点的角速度, 可以令速度分量 vx,vy 分别对 y,x 求偏导
∂y∂vx=−ω∂x∂vy=ω
因此该点的角速度即为
2ω=∂x∂vy−∂y∂vx
推广到三维坐标系可得, 对于任意物体的速度场上任一点, 其旋度及其角速度的 2 倍
rot(A)=2ω
参考文献
https://zhuanlan.zhihu.com/p/477261640open in new window
https://blog.sina.com.cn/s/blog_5d323f950101ima8.htmlopen in new window
微分算子
使用微分算子 (哈密顿算子) ∇ 用于简化对多元函数的微分
∇=(∂x∂,∂y∂,∂z∂)
梯度, 旋度, 散度均可使用微分算子表示
grad(u)=(∂x∂u,∂y∂u,∂z∂u)=∇u
div(A)=∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R=∇⋅A
rot(A)=i∂x∂Pj∂y∂Qk∂z∂R=∇×A
微分算子具线性性
∇(cu+dv)=c∇u+d∇v
∇⋅(cA+dB)=c∇⋅A+d∇⋅B
∇×(cA+dB)=c∇×A+d∇×B
注意, 微分算子不满足交换律
∇⋅A=A⋅∇=P∂x∂+Q∂y∂+R∂z∂
∇u=u∇=(u∂x∂,u∂y∂,u∂z∂)
(A⋅∇)A=P∂x∂A+Q∂y∂A+R∂z∂A=(∇⋅A)A=(P∇⋅A,Q∇⋅A,R∇⋅A)
常用微元与坐标系变换
多重积分公式
矢量求导法则
参考
矢量与矩阵求导依然满足链式法则, 一般利用链式法则避免直接对矩阵求导
可使用工具 https://www.matrixcalculus.org/open in new window 计算矩阵求导
矢量对标量求导
对于任意矢量或矩阵 X∈Rm×n 与标量 y
有 X 相对 y 的导数即矩阵中各个元素 xi,j 相对 y 求导, 满足
∂y∂X=∂y∂x1,1∂y∂x2,1⋮∂y∂xm,1∂y∂x1,2∂y∂x2,2⋮∂y∂xm,2……⋱…∂y∂x1,n∂y∂x2,n⋮∂y∂xm,n
标量对矢量求导
对于任意矢量或矩阵 X∈Rm×n 与标量 y
有 y 相对 X 的导数即 y 相对矩阵中各个元素 xi,j 求导, 满足
∂X∂y=∂x1,1∂y∂x2,1∂y⋮∂xm,1∂y∂x1,2∂y∂x2,2∂y⋮∂xm,2∂y……⋱…∂x1,n∂y∂x2,n∂y⋮∂xm,n∂y
矢量对矢量求导
对于行矢量 xT∈R1×n 与列矢量 y∈Rm×1
行矢量 xT 相对列矢量 y 求导可得到 m×n 的雅可比矩阵, 满足
∂y∂xT=∂y1∂xT∂y2∂xT⋮∂ym∂xT=∂y1∂x1∂y2∂x1⋮∂ym∂x1∂y1∂x2∂y2∂x2⋮∂ym∂x2……⋱…∂y1∂xn∂y2∂xn⋮∂ym∂xn
同样的, 列矢量 y 相对行矢量 xT 求导可得到 m×n 的雅可比矩阵, 满足
∂xT∂y=[∂x1∂y∂x2∂y…∂xn∂y]=∂x1∂y1∂x1∂y2⋮∂x1∂ym∂x2∂y1∂x2∂y2⋮∂x2∂ym……⋱…∂xn∂y1∂xn∂y2⋮∂xn∂ym
当矢量 x∈Rn×1,y∈Rm×1 均为列矢量或均为行矢量时, 求导结果依然为雅可比矩阵, 但需要明确使用的布局方法
- 采用分母布局时, 导数从行数与列数优先与分母相同
- 当 x,y 均为列向量有 ∂x∂y=∂x∂yT∈Rn×m
- 当 x,y 均为行向量有 ∂xT∂yT=∂xT∂y∈Rm×n
- 采用分子布局时, 则结果相反, 两种布局的结果互为转置
根据矢量对矢量的求导法则可知, 函数 y=ax+b 中, 求导 ∂x∂y 的结果是对角矩阵 aI 而不是单个标量
矩阵对矩阵求导
矩阵间以及矩阵对矢量的求导较为复杂, 一般通过链式法则转换为矢量与标量的求导, 具体可见参考资料的介绍