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多元微积分

大约 6 分钟

多元微积分

注意

该笔记尚未完成

约定

  • 有多元标量函数 u(x,y,z),v(x,y,z)u(x,y,z),v(x,y,z)
  • 有多元矢量函数 A(x,y,z)=(P,Q,R),B\vec{A}(x,y,z)=(P,Q,R),\vec{B}, 其中 P,Q,RP,Q,R 均为多元标量函数
  • 有一般标量常数 c,dc,d

多元函数微分

多元函数的微分特征

梯度

grad(u)=(ux,uy,uz) \mathbf{grad}(u)=(\frac{\partial u}{\partial x},\frac{\partial u}{\partial y},\frac{\partial u}{\partial z})

多元函数 uu 在点 (x,y,z)(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 \mathrm{d}f=\mathbf{grad}(f)\cdot\mathrm{d}\vec{r}

散度

div(A)=Px+Qy+Rz \operatorname{div}(\vec{A})=\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}

对矢量场 A\vec{A} 中的闭合曲面 SS 围成的空间 VV, 定义通量

Φ=SAds \Phi=\oint\limits_S \vec{A}\cdot \mathrm{d}\vec{s}

对于 SS 的中心点 (x,y,z)(x,y,z), 定义矢量场的散度

div(A)=limV0ΦV \operatorname{div}(\vec{A})=\lim_{V\to 0}\frac{\Phi}{V}

散度可以体现空间中一点 (x,y,z)(x,y,z) 为中心的微元体 dV\mathrm{dV} 是否散发或者吸收通量, 当一点的散度为 00, 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)=ijkxyzPQR \mathbf{rot}(\vec{A})= \begin{vmatrix} \vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\ \frac{\partial}{\partial x}&\frac{\partial}{\partial y}&\frac{\partial}{\partial z}\\ P&Q&R \end{vmatrix}

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+(v0xωy)i \vec{v}=\vec{v_0}+\vec{\omega}\times\vec{r}=(v_{0y}+\omega x)\vec{j}+(v_{0x}-\omega y)\vec{i}

为了求出该点的角速度, 可以令速度分量 vx,vyv_x,v_y 分别对 y,xy,x 求偏导

vxy=ωvyx=ω \frac{\partial v_x}{\partial y}=-\omega\quad \frac{\partial v_y}{\partial x}=\omega

因此该点的角速度即为

2ω=vyxvxy 2\omega=\frac{\partial v_y}{\partial x}-\frac{\partial v_x}{\partial y}

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 22

rot(A)=2ω \mathbf{rot}(\vec{A})=2\vec{\omega}

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) \vec{\nabla} 用于简化对多元函数的微分

=(x,y,z) \vec{\nabla}=(\frac{\partial}{\partial x},\frac{\partial}{\partial y},\frac{\partial}{\partial z})

梯度, 旋度, 散度均可使用微分算子表示

grad(u)=(ux,uy,uz)=u \mathbf{grad}(u)=(\frac{\partial u}{\partial x},\frac{\partial u}{\partial y},\frac{\partial u}{\partial z})=\vec{\nabla} u

div(A)=Px+Qy+Rz=A \operatorname{div}(\vec{A})=\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}=\vec{\nabla}\cdot\vec{A}

rot(A)=ijkxyzPQR=×A \mathbf{rot}(\vec{A})= \begin{vmatrix} \vec{i}&\vec{j}&\vec{k}\\ \frac{\partial}{\partial x}&\frac{\partial}{\partial y}&\frac{\partial}{\partial z}\\ P&Q&R \end{vmatrix} =\vec{\nabla}\times\vec{A}

微分算子具线性性

(cu+dv)=cu+dv \vec{\nabla}(cu+dv)=c\vec{\nabla}u+d\vec{\nabla}v

(cA+dB)=cA+dB \vec{\nabla}\cdot(c\vec{A}+d\vec{B})=c\vec{\nabla}\cdot \vec{A}+d\vec{\nabla}\cdot \vec{B}

×(cA+dB)=c×A+d×B \vec{\nabla}\times(c\vec{A}+d\vec{B})=c\vec{\nabla}\times \vec{A}+d\vec{\nabla}\times \vec{B}

注意, 微分算子不满足交换律

AA=Px+Qy+Rz \vec{\nabla}\cdot\vec{A}\neq\vec{A}\cdot\vec{\nabla}=P\frac{\partial}{\partial x}+Q\frac{\partial}{\partial y}+R\frac{\partial}{\partial z}

uu=(ux,uy,uz) \vec{\nabla}u\neq u\vec{\nabla}=(u\frac{\partial}{\partial x},u\frac{\partial}{\partial y},u\frac{\partial}{\partial z})

(A)A=PAx+QAy+RAz(A)A=(PA,QA,RA) (\vec{A}\cdot\vec{\nabla})\vec{A}=P\frac{\partial\vec{A}}{\partial x}+Q\frac{\partial\vec{A}}{\partial y}+R\frac{\partial\vec{A}}{\partial z}\\ \neq\\ (\vec{\nabla}\cdot\vec{A})\vec{A}=(P\vec{\nabla}\cdot\vec{A},Q\vec{\nabla}\cdot\vec{A},R\vec{\nabla}\cdot\vec{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 XRm×n\bm{X}\in\R^{m\times n} 与标量 yy
X\bm{X} 相对 yy 的导数即矩阵中各个元素 xi,jx_{i,j} 相对 yy 求导, 满足

Xy=[x1,1yx1,2yx1,nyx2,1yx2,2yx2,nyxm,1yxm,2yxm,ny] \frac{\partial \bm{X}}{\partial y}=\begin{bmatrix} \frac{\partial x_{1,1}}{\partial y}&\frac{\partial x_{1,2}}{\partial y}&\dots&\frac{\partial x_{1,n}}{\partial y}\\ \frac{\partial x_{2,1}}{\partial y}&\frac{\partial x_{2,2}}{\partial y}&\dots&\frac{\partial x_{2,n}}{\partial y}\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ \frac{\partial x_{m,1}}{\partial y}&\frac{\partial x_{m,2}}{\partial y}&\dots&\frac{\partial x_{m,n}}{\partial y} \end{bmatrix}

标量对矢量求导

对于任意矢量或矩阵 XRm×n\bm{X}\in\R^{m\times n} 与标量 yy
yy 相对 X\bm{X} 的导数即 yy 相对矩阵中各个元素 xi,jx_{i,j} 求导, 满足

yX=[yx1,1yx1,2yx1,nyx2,1yx2,2yx2,nyxm,1yxm,2yxm,n] \frac{\partial y}{\partial \bm{X}}=\begin{bmatrix} \frac{\partial y}{\partial x_{1,1}}&\frac{\partial y}{\partial x_{1,2}}&\dots&\frac{\partial y}{\partial x_{1,n}}\\ \frac{\partial y}{\partial x_{2,1}}&\frac{\partial y}{\partial x_{2,2}}&\dots&\frac{\partial y}{\partial x_{2,n}}\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ \frac{\partial y}{\partial x_{m,1}}&\frac{\partial y}{\partial x_{m,2}}&\dots&\frac{\partial y}{\partial x_{m,n}} \end{bmatrix}

矢量对矢量求导

对于行矢量 xTR1×n\vec{x}^T\in\R^{1\times n} 与列矢量 yRm×1\vec{y}\in\R^{m\times 1}
行矢量 xT\vec{x}^T 相对列矢量 y\vec{y} 求导可得到 m×nm\times n 的雅可比矩阵, 满足

xTy=[xTy1xTy2xTym]=[x1y1x2y1xny1x1y2x2y2xny2x1ymx2ymxnym] \frac{\partial \vec{x}^T}{\partial \vec{y}}=\begin{bmatrix}\frac{\partial \vec{x}^T}{\partial y_{1}}\\\frac{\partial \vec{x}^T}{\partial y_{2}}\\\vdots\\\frac{\partial \vec{x}^T}{\partial y_{m}}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \frac{\partial x_{1}}{\partial y_{1}}&\frac{\partial x_{2}}{\partial y_{1}}&\dots&\frac{\partial x_{n}}{\partial y_{1}}\\ \frac{\partial x_{1}}{\partial y_{2}}&\frac{\partial x_{2}}{\partial y_{2}}&\dots&\frac{\partial x_{n}}{\partial y_{2}}\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ \frac{\partial x_{1}}{\partial y_{m}}&\frac{\partial x_{2}}{\partial y_{m}}&\dots&\frac{\partial x_{n}}{\partial y_{m}} \end{bmatrix}

同样的, 列矢量 y\vec{y} 相对行矢量 xT\vec{x}^T 求导可得到 m×nm\times n 的雅可比矩阵, 满足

yxT=[yx1yx2yxn]=[y1x1y1x2y1xny2x1y2x2y2xnymx1ymx2ymxn] \frac{\partial \vec{y}}{\partial \vec{x}^T}=\begin{bmatrix}\frac{\partial \vec{y}}{\partial x_{1}}&\frac{\partial \vec{y}}{\partial x_{2}}&\dots&\frac{\partial \vec{y}}{\partial x_{n}}\end{bmatrix}=\begin{bmatrix} \frac{\partial y_{1}}{\partial x_{1}}&\frac{\partial y_{1}}{\partial x_{2}}&\dots&\frac{\partial y_{1}}{\partial x_{n}}\\ \frac{\partial y_{2}}{\partial x_{1}}&\frac{\partial y_{2}}{\partial x_{2}}&\dots&\frac{\partial y_{2}}{\partial x_{n}}\\ \vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\ \frac{\partial y_{m}}{\partial x_{1}}&\frac{\partial y_{m}}{\partial x_{2}}&\dots&\frac{\partial y_{m}}{\partial x_{n}} \end{bmatrix}

当矢量 xRn×1,yRm×1\vec{x}\in\R^{n\times 1}, \vec{y}\in\R^{m\times 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
    • x,y\vec{x},\vec{y} 均为列向量有 yx=yTxRn×m\frac{\partial \vec{y}}{\partial \vec{x}}=\frac{\partial \vec{y}^T}{\partial \vec{x}}\in\R^{n\times m}
    • x,y\vec{x},\vec{y} 均为行向量有 yTxT=yxTRm×n\frac{\partial \vec{y}^T}{\partial \vec{x}^T}=\frac{\partial \vec{y}}{\partial \vec{x}^T}\in\R^{m\times 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\vec{y}=a\vec{x}+\vec{b} 中, 求导 yx\frac{\partial\vec{y}}{\partial\vec{x}} 的结果是对角矩阵 aIa\bm{I} 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