• 多变量微积分笔记7——非独立变量


      1.独立变量,即一个量改变不会引起除因变量以外的其他量的改变。只有将某物理量由独立变量来表达,由它给出的函数关系才是正确的。

      2.非独立变量,一个量改变会引起除因变量以外的其他量改变。把非独立变量看做是独立变量,是确定物理量间关系的一大忌。

      正确确定物理表达式中的物理量是常量还是变量,是独立变量还是非独立变量,不但是正确解答有关问题的前提和保障,而且还可以简化解答过程。

      在理想的气体状态方程中,PV/T=C,其中C为常数。可以将其看作一个约束关系g(P,V,T) = C,当其中一个变量改变时,也必将引起其它两个变量的改变,P、V、T就是g的三个非独立变量。

    非独立变量的变化

      如果有一个包含三个非独立变量的函数 g(x,y,z) = C,理论上每一个变量都可以用另外两个变量表示,例如z用x,y表示:z = z(x,y),这样就可以更加清晰的知道z与x,y的关系,即当x,y变化时是怎样影响z的。然而在大多数情况下,求解z(x,y)都比较困难,这时应当怎样理解变量之间的关系呢?也就是在z = z(x,y)中,z的变化率是多少?

      有一个关系式 g(x,y,z) = x2 + yz + z3 = 8,在点(x,y,z) = (2, 3, 1)附近观察,如果稍微改动x和y,x和y对于z的变化有什么样的影响

      在这里,直接解出z的表达式会很困难,需要寻找一个更简单的方法。

      先来看一下g的全微分(全微分可参考《多变量微积分4——全微分与链式法则》):

     

      由于g(x,y,z) = C = 8,所以dg = 0;或者说由于g(x,y,z) 是一个常数,g的变化率为0。在(x,y,z) = (2, 3, 1)处:

     

      这个式子告诉我们,在等值面上变化量之间的关系,其中两个变量改变时,第三个变量会怎样变化。如果把z看成x,y的函数z = z(x,y),z的变化:

      z关于x的变化率就是x的偏导,此时y值不变,dy = 0:

      z关于y的变化率就是y的偏导,此时x值不变,dx = 0:

     

      一般地,如果g(x,y,z) = C,那么:

     

      这样任何变量的微分都可以由其它变量表示,例如z的变化:

     

      z关于x的偏导,y是定值,dy = 0,此时:

     

      这个结果就是当x改变时,x对于z的变化率,即:

     

      同理:

     

      通过这种方式,可以表达非独立变量之间的变化。

    相关变量的偏微分

      有一个函数f(x,y) = x + y,现在x的偏导:

     

      如果令x = u, y = u + v:

      现在的结果有些令人迷惑了,因为x = u,所以x和u等价,但是得到的结果并不相同:

     

      这点在《多变量微积分4——全微分与链式法则》中做过介绍,实际上:

     

      这需要认真审视偏导,当计算fx时,意味着保持y不变的同时改变x;而fu意味着保持v不变的同时改变u。由于x = u,所以改变u和改变x是一样的,但保持v不变和保持y不变并不相同。如果保持y不变,因为x = u,所以改变x的同时也意味着改变了u,所以为了保持y不变,v也势必发生改变,从而使y = u + v不变。当保持v不变时,v = y – u = y – x,可以看出,保持v不变实际上是保持y – x不变,这和保持y不变是两回事。这些偏导虽然看似简单,但使用起来其实是有风险的,因为让它们保持恒定并不是显而易见的。

      现在,我们用新的符号明确是指出谁是恒定不变的:

     

    三角形的面积

     

      三角形的两边分别是a和b,ab的夹角是θ,面积A = (absinθ)/2,可以将其看作是关于a、b、θ的函数A(a,b,θ)。假定三个变量之间存在某种约束关系,比如三角形是直角三角形,那么a = bcosθ就是变量之间的约束,现在我们想知道面积是怎样依赖于θ的?

     

      面积关于θ的变化率当然是面积A关于θ的偏导,问题是a,b,θ不是相互独立的变量,直角三角形就是三者之间的约束,当θ改变时,为了维持直角,a或b也会随之改变。下面将分情况加以说明。

      1) a,b保持不变

     

      实际上这意味着放弃直角这一约束。如果保留直角,将有两个选择,保持b恒定或a恒定。

      2) a保持不变,θ改变时,面积的变化率是:

      3) b保持不变,θ改变时,面积的变化率是:

     

      现在需要进行一些计算,以第二种情况为例,看看面积的变化率具体是什么。

      方法1)利用最简单的代数法,这种方法仅对于简单的约束关系有效。

      方法2)微分法

      如果保持a不变,意味着da = 0

     

      这实际上是求出了b关于θ的变化率。

     

      这个结果就是当a保持不变时,A对于θ的变化率,即:

     

      结果中含有b是因为改变θ的同时b也将发生改变,因此b也要被看作因变量。

    综合示例

    示例1

       

      示例中的约束条件是xy = zt,可将其看作g(x,y,z,t) = xy – zt = 0,在假定x,y不变的前提下计算w关于z的变化率。

    示例2

      


       作者:我是8位的

      出处:http://www.cnblogs.com/bigmonkey

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