1. Prerequisites

2. Definitions

  • Real vector space:

  • Multivariate real-valued function

  • Multivariate real vector-valued function

  • Differentiability at a point Let be a subset of , and let be an element of which is also a limit point of . Let be a function. Let be a linear transformation from to . We say that is differentiable at on with derivative and write if

    Equivalently, in the little-o of 无穷小,

    that is,

    Uniqueness of derivatives Let be a subset of , be a function, be an interior point of , and let and be linear transformations. Suppose that is differentiable at with derivative , and also differentiable at with derivative . Then .

    proof:
    because , so there exists , s.t. .
    .
    .
    .
    .
    so , contradiction.

  • 梯度:设 , 是一个定义在 上的实值函数(标量场)。若 在内点 处可微,存在唯一的线性变换 (即 )。由于 是从 到 的线性映射,根据里斯表示定理 (Riesz Representation Theorem),在给定内积 的欧几里得空间中,必然存在唯一的向量 ,使得对于任意 ,都有:这个唯一的向量 就称为 在 处的梯度,记作 或 。

  • 方向导数:设 为单位向量(), 在 处沿方向 的方向导数定义为:将全微分公式代入上式(令 ):由于 是线性变换,,且 :

3. Properties

可微蕴含连续. 设 , 是 的极限点, 在 可微。则 在 连续。

proof

由可微定义,存在线性映射 ,使得

其中

因此 。

再证 ()。设 为 的标准基,。欧氏距离满足 ,故 。记 ,,则 且 。若 ,则 、,从而 。因此 ,即 。并且

三角不等式与绝对齐性给出

右端在 时趋于 ,所以 。于是

故

  1. Let be a field, , be a linear mapping. Then , s.t. . Furthermore, is unique.
  2. 设 在 可微。则 与 在 可微。若 ,则 在 可微。并且
  3. Let be a function, and is differentiable at on . be a function, and is differentiable at on . Then is differentiable at on , and .
  4. 梯度方向是方向导数最大的方向。