苏莱曼尼将军 發表於 2025-8-23 19:59:00

高等数学 9.1多元函数的基本概念

<p></p><div class="toc"><div class="toc-container-header">目录</div><ul><li>一、平面点集 *<span class="math inline">\(n\)</span> 维空间<ul><li>1.平面点集</li><li>*2. <span class="math inline">\(n\)</span> 维空间</li></ul></li><li>二、多元函数的概念</li><li>三、多元函数的极限</li><li>四、多元函数的连续性</li></ul></div><p></p>
<h2 id="一平面点集--维空间">一、平面点集 *<span class="math inline">\(n\)</span> 维空间</h2>
<h3 id="1平面点集">1.平面点集</h3>
<p>由平面解析几何知道,当在平面上引入了一个平面直角坐标系后,平面上的点 <span class="math inline">\(P\)</span> 与有序二元实数组 <span class="math inline">\((x, y)\)</span> 之间就建立了一一对应。于是,我们常把有序实数组 <span class="math inline">\((x, y)\)</span> 与平面上的点 <span class="math inline">\(P\)</span> 视作是等同的。这种建立了坐标系的平面称为坐标平面。二元有序实数组 <span class="math inline">\((x, y)\)</span> 的全体,即 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^2 = \mathbb{R} \times \mathbb{R} = \{ (x, y) | x, y \in \mathbb{R} \}\)</span> 就表示坐标平面。</p>
<p>坐标平面上具有某种性质 <span class="math inline">\(P\)</span> 的点的集合,称为平面点集,记作</p>
<p></p><div class="math display">\[E = \{ (x, y) | (x, y)具有性质P \}.
\]</div><p></p><p>例如,平面上以原点为中心、<span class="math inline">\(r\)</span> 为半径的圆内所有的点的集合是</p>
<p></p><div class="math display">\[C = \{ (x, y)|x^2 + y^2 &lt; r \}.
\]</div><p></p><p>如果以点 <span class="math inline">\(P\)</span> 表示 <span class="math inline">\((x, y)\)</span> ,<span class="math inline">\(|OP|\)</span> 表示点 <span class="math inline">\(P\)</span> 到原点 <span class="math inline">\(O\)</span> 的距离,那么集合 <span class="math inline">\(C\)</span> 也可以表成</p>
<p></p><div class="math display">\[C = \{ P | |OP| &lt; r \}
\]</div><p></p><p>现在引入 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^2\)</span> 中邻域的概念。</p>
<p>设 <span class="math inline">\(P_0 (x_0, y_0)\)</span> 是 <span class="math inline">\(xOy\)</span> 平面上的一个点,<span class="math inline">\(\delta\)</span> 是某一正数。与点 <span class="math inline">\(P_0 (x_0, y_0)\)</span> 距离小于 <span class="math inline">\(\delta\)</span> 的点 <span class="math inline">\(P(x, y)\)</span> 的全体,称为点 <span class="math inline">\(P_0\)</span> 的 <span class="math inline">\(\delta\)</span> <mark>邻域</mark> ,记作 <span class="math inline">\(U(P_0, \delta)\)</span> ,即</p>
<p></p><div class="math display">\[U(P_0, \delta) = \{ P | |PP_0| &lt; \delta \},
\]</div><p></p><p>也就是</p>
<p></p><div class="math display">\[U(P_0, \delta) = \{ (x, y) | \sqrt{(x - x_0)^2 + (y - y_0)^2} &lt; \delta \}.
\]</div><p></p><p>点 <span class="math inline">\(P_0\)</span> 的去心 <span class="math inline">\(\delta\)</span> 邻域,记作 <span class="math inline">\(\mathring{U} (P_0, \delta)\)</span> ,即</p>
<p></p><div class="math display">\[\mathring{U} (P_0, \delta) = \{ P | 0 &lt; |PP_0| &lt; \delta \}
\]</div><p></p><p>在几何上,<span class="math inline">\(U(P_0, \delta)\)</span> 就是 <span class="math inline">\(xOy\)</span> 平面上以点 <span class="math inline">\(P_0(x_0, y_0)\)</span> 为中心、<span class="math inline">\(\delta &gt; 0\)</span> 为半径的圆内部的点 <span class="math inline">\(P(x, y)\)</span> 的全体。</p>
<p>如果不需要强调领域的半径 <span class="math inline">\(\delta\)</span> ,则用 <span class="math inline">\(U(P_0)\)</span> 表示点 <span class="math inline">\(P_0\)</span> 的某个邻域,点 <span class="math inline">\(P_0\)</span> 的去心邻域记作 <span class="math inline">\(\mathring{U}(P_0)\)</span> 。</p>
<p>利用邻域来描述点和点集之间的关系。</p>
<p>任意一点 <span class="math inline">\(P \in \mathbb{R}^2\)</span> 与任意一个点集 <span class="math inline">\(E \subset \mathbb{R}^2\)</span> 之间必有一下三种关系中的一种:</p>
<p>(1)<mark>内点</mark> :如果存在点 <span class="math inline">\(P\)</span> 的某个邻域 <span class="math inline">\(U(P)\)</span> ,使得 <span class="math inline">\(U(P) \subset E\)</span> ,那么称 <span class="math inline">\(P\)</span> 为 <span class="math inline">\(E\)</span> 的内点(如图9-1中,<span class="math inline">\(P_1\)</span> 为 <span class="math inline">\(E\)</span> 的内点);</p>
<p>(2)<mark>外点</mark> :如果存在点 <span class="math inline">\(P\)</span> 的某个邻域 <span class="math inline">\(U(P)\)</span> ,使得 <span class="math inline">\(U(P) \cap E = \varnothing\)</span>,那么称 <span class="math inline">\(P\)</span> 为 <span class="math inline">\(E\)</span> 的外点(如图9-1中,<span class="math inline">\(P_2\)</span> 为 <span class="math inline">\(E\)</span> 的外点);</p>
<p>(3)<mark>边界点</mark> :如果点 <span class="math inline">\(P\)</span> 的任一邻域内既含有属于 <span class="math inline">\(E\)</span> 的点,又含有不属于 <span class="math inline">\(E\)</span> 的点,那么称 <span class="math inline">\(P\)</span> 为 <span class="math inline">\(E\)</span> 的边界点(如图9-1中,<span class="math inline">\(P_3\)</span> 为 <span class="math inline">\(E\)</span> 的边界点)。</p>
<p><span class="math inline">\(E\)</span> 的边界点的全体,称为 <span class="math inline">\(E\)</span> 的 <mark>边界</mark> ,记作 <span class="math inline">\(\partial E\)</span> 。</p>
<p><span class="math inline">\(E\)</span> 的内点必属于 <span class="math inline">\(E\)</span> ;<span class="math inline">\(E\)</span> 的外点必定不属于 <span class="math inline">\(E\)</span> ;而 <span class="math inline">\(E\)</span> 的边界点可能属于 <span class="math inline">\(E\)</span> ,也可能不属于 <span class="math inline">\(E\)</span> 。</p>
<p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/1515107/202508/1515107-20250820192828282-1007761101.png" alt="9.1图9-1" loading="lazy"></p>
<p>任意一点 <span class="math inline">\(P\)</span> 与一个点集 <span class="math inline">\(E\)</span> 之间除了上述三种关系之外,还有另外一种关系,这就是聚点。</p>
<p><mark>聚点</mark> :如果对于任意给定的 <span class="math inline">\(\delta &gt; 0\)</span> ,点 <span class="math inline">\(P\)</span> 的去心邻域 <span class="math inline">\(\mathring{U}(P, \delta)\)</span> 内总有 <span class="math inline">\(E\)</span> 中的点,那么称 <span class="math inline">\(P\)</span> 是 <span class="math inline">\(E\)</span> 的 <mark>聚点</mark> 。</p>
<p>由聚点的定义可知,点集 <span class="math inline">\(E\)</span> 的聚点 <span class="math inline">\(P\)</span> 本身,可以属于 <span class="math inline">\(E\)</span> ,也可以不属于 <span class="math inline">\(E\)</span> 。</p>
<p>例如,设平面点集</p>
<p></p><div class="math display">\[E = \{ (x, y) | 1 &lt; x^2 + y^2 \leqslant 2 \}.
\]</div><p></p><p>满足 <span class="math inline">\(1 &lt; x^2 + y^2 &lt; 2\)</span> 的一切点 <span class="math inline">\((x, y)\)</span> 都是 <span class="math inline">\(E\)</span> 的内点;满足 <span class="math inline">\(x^2 + y^2 = 1\)</span> 的一切点 <span class="math inline">\((x, y)\)</span> 都是 <span class="math inline">\(E\)</span> 的边界点,它们都不属于 <span class="math inline">\(E\)</span> ;满足 <span class="math inline">\(x^2 + y^2 = 2\)</span> 的一切点 <span class="math inline">\((x, y)\)</span> 也是 <span class="math inline">\(E\)</span> 的边界点,它们都属于 <span class="math inline">\(E\)</span> ;点集 <span class="math inline">\(E\)</span> 以及它的边界 <span class="math inline">\(\partial E\)</span> 上的一切点都是 <span class="math inline">\(E\)</span> 的聚点。</p>
<p>根据点集所属点的特征,再来定义一些重要的平面点集。</p>
<p><mark>开集</mark> :如果点集 <span class="math inline">\(E\)</span> 的点都是 <span class="math inline">\(E\)</span> 的内点,那么称 <span class="math inline">\(E\)</span> 为开集。</p>
<p><mark>闭集</mark> :如果点集 <span class="math inline">\(E\)</span> 的边界 <span class="math inline">\(\partial E \subset E\)</span> ,那么称 <span class="math inline">\(E\)</span> 为闭集。</p>
<p>例如,集合 <span class="math inline">\(\{ (x, y) | 1 &lt; x^2 + y^2 &lt; 2 \}\)</span> 是开集;集合 <span class="math inline">\(\{ (x, y) | 1 \leqslant x^2 + y^2 \leqslant 2 \}\)</span> 是闭集;而集合 <span class="math inline">\(\{ (x, y) | 1 &lt; x^2 + y^2 \leqslant 2 \}\)</span> 既非开集,也非闭集。</p>
<p><mark>连通集</mark> :如果点集 <span class="math inline">\(E\)</span> 内任何两点,都可用折线连接起来,且该折线上的点都属于 <span class="math inline">\(E\)</span> ,那么称 <span class="math inline">\(E\)</span> 为连通集。</p>
<p><mark>区域</mark> (或 <mark>开区域</mark>):连通的开集称为区域或开区域。</p>
<p><mark>闭区域</mark> :开区域连同它的边界一起所构成的点集称为闭区域。</p>
<p>例如,集合 <span class="math inline">\(\{ (x, y) | 1 &lt; x^2 + y^2 &lt; 2 \}\)</span> 是区域,而集合 <span class="math inline">\(\{ (x, y) | 1 \leqslant x^2 + y^2 \leqslant 2 \}\)</span> 是闭区域。</p>
<p><mark>有界集</mark> :对于平面点集 <span class="math inline">\(E\)</span> ,如果存在某一正数 <span class="math inline">\(r\)</span> ,使得</p>
<p></p><div class="math display">\[E \subset U(O, r)
\]</div><p></p><p>其中 <span class="math inline">\(O\)</span> 是坐标原点,那么称 <span class="math inline">\(E\)</span> 为有界集。</p>
<p><mark>无界集</mark> :一个集合如果不是有界集,就成这个集合为无界集。</p>
<p>例如,集合 <span class="math inline">\(\{ (x, y) | 1 \leqslant x^2 + y^2 \leqslant 2 \}\)</span> 是有界闭区域,集合 <span class="math inline">\(\{ (x, y) | x + y &gt; 0 \}\)</span> 是无界开区域,集合 <span class="math inline">\(\{ (x, y) | x + y \geqslant 0 \}\)</span> 是无界闭区域。</p>
<h3 id="2--维空间">*2. <span class="math inline">\(n\)</span> 维空间</h3>
<p>设 <span class="math inline">\(n\)</span> 为取定的一个正整数,我们用 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 表示 <span class="math inline">\(n\)</span> 元有序实数组 <span class="math inline">\((x_1, x_2, \cdots, x_n)\)</span> 的全体所构成的集合,即</p>
<p></p><div class="math display">\[\mathbb{R}^n = \mathbb{R} \times \mathbb{R} \times \cdots \times \mathbb{R} \{ (x_1, x_2, \cdots, x_n) | x_i \in \mathbb{R}, i = 1, 2, \cdots, n \}.
\]</div><p></p><p><span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中的元素 <span class="math inline">\((x_1, x_2, \cdots, x_n)\)</span> 有时也用单个字母 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x}\)</span> 来表示,即 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x} = (x_1, x_2, \cdots, x_n)\)</span> .当所有的 <span class="math inline">\(x_i(i = 1, 2, \cdots, n)\)</span> 都为零时,称这样的元素为 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^2\)</span> 中的零元,记为 <span class="math inline">\(\boldsymbol{0}\)</span> 或 <span class="math inline">\(O\)</span> 。在解析几何中,通过直角坐标系,<span class="math inline">\(\mathbb{R}^2\)</span> (或 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^3\)</span>)中的元素分别与平面(或空间)中的点或向量建立一一对应,因而 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中的元素 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x} = (x_1, x_2, \cdots, x_n)\)</span> 也称为 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中的一个点或一个 <span class="math inline">\(n\)</span> 维向量,<span class="math inline">\(x_i\)</span> 称为点 <span class="math inline">\(x\)</span> 的第 <span class="math inline">\(i\)</span> 个坐标或 <span class="math inline">\(n\)</span> 维向量 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x}\)</span> 的第 <span class="math inline">\(i\)</span> 个分量。特别地,<span class="math inline">\(\mathbb{R}^2\)</span> 中的零元 <span class="math inline">\(\boldsymbol{0}\)</span> 称为 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中的坐标原点或 <span class="math inline">\(n\)</span> 维零向量。</p>
<p>为了在集合 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中的元素之间建立联系,在 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中定义线性运算如下:</p>
<p>设 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x} = (x_1, x_2, \cdots, x_n)\)</span> ,<span class="math inline">\(\boldsymbol{y} = (y_1, y_2, \cdots, y_n)\)</span> 为 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中的任意两个元素,<span class="math inline">\(\lambda \in \mathbb{R}\)</span> ,规定</p>
<p></p><div class="math display">\[\boldsymbol{x} + \boldsymbol{y} = (x_1 + y_1, x_2 + y_2, \cdots, x_n + y_n) \\
\lambda \boldsymbol{x} = (\lambda x_1, \lambda x_2, \cdots, \lambda x_n).
\]</div><p></p><p>这样定义了线性运算的集合 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 称为 <span class="math inline">\(n\)</span> 维空间。</p>
<p><span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中的点 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x} = (x_1, x_2, \cdots, x_n)\)</span> 和点 <span class="math inline">\(\boldsymbol{y} = (y_1, y_2, \cdots, y_n)\)</span> 间的距离,记作 <span class="math inline">\(\rho(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y})\)</span> ,规定</p>
<p></p><div class="math display">\[\rho (\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y}) = \sqrt{(x_1 - y_1)^2 + (x_2 - y_2)^2 + \cdots + (x_n - y_n)^2}.
\]</div><p></p><p>显然,<span class="math inline">\(n = 1, 2, 3\)</span> 时,上述规定与数轴上、直角坐标系下平面及空间中两点间的距离一致。</p>
<p><span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中元素 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x} = (x_1, x_2, \cdots, x_n)\)</span> 与零元 <span class="math inline">\(\boldsymbol{0}\)</span> 之间的距离 <span class="math inline">\(\rho (\boldsymbol{x}, \boldsymbol{0})\)</span> 记作 <span class="math inline">\(\| \boldsymbol{x} \|\)</span> (在 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^1, \mathbb{R}^2, \mathbb{R}^3\)</span> 中,通常将 <span class="math inline">\(\| \boldsymbol{x} \|\)</span> 记作 <span class="math inline">\(|\boldsymbol{x}|\)</span>),即</p>
<p></p><div class="math display">\[\| \boldsymbol{x} \| = \sqrt{x_1^2 + x_2^2 + \cdots + x_n^2}.
\]</div><p></p><p>采用这一记号,结合向量的线性运算,便得</p>
<p></p><div class="math display">\[\| \boldsymbol{x} - \boldsymbol{y} \| = \sqrt{(x_1 - y_1)^2 + (x_2 - y_2)^2 + \cdots + (x_n - y_n)^2} = \rho (\boldsymbol{x}, \boldsymbol{y})
\]</div><p></p><p>在 <span class="math inline">\(n\)</span> 维空间 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中定义了距离以后,就可以定义 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 的变元的极限:</p>
<p>设 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x} = (x_!, x_2, \cdots, x_n) , \boldsymbol{a} = (a_1, a_2, \cdots, a_n) \in \mathbb{R}^n\)</span> 。如果</p>
<p></p><div class="math display">\[\| \boldsymbol{x} - \boldsymbol{a} \| \to 0,
\]</div><p></p><p>那么称变元 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x}\)</span> 在 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中趋于固定元 <span class="math inline">\(\boldsymbol{a}\)</span> ,记作 <span class="math inline">\(\boldsymbol{x} \to \boldsymbol{a}\)</span> 。</p>
<p>显然,</p>
<p></p><div class="math display">\[\boldsymbol{x} \to \boldsymbol{a} \Leftrightarrow x_1 \to a_1, x_2 \to a_2, \cdots, x_n \to a_n .
\]</div><p></p><p>在 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^2\)</span> 中引入线性运算和距离,使得有关平面点集的一些列概念,可以方便地引入到 <span class="math inline">\(n(n \geqslant 3)\)</span> 维空间中来。例如,</p>
<p>设 <span class="math inline">\(\boldsymbol{a} = (a_1, a_2, \cdots, a_n) \in \mathbb{R}^n\)</span> ,<span class="math inline">\(\delta\)</span> 是某一正数,则 <span class="math inline">\(n\)</span> 维空间内的点集</p>
<p></p><div class="math display">\[U(\boldsymbol{a}, \delta) = \{ \boldsymbol{x} | \boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^2, \rho(\boldsymbol{x}, \boldsymbol{a}) &lt; \delta \}
\]</div><p></p><p>就定义为 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^n\)</span> 中点 <span class="math inline">\(\boldsymbol{a}\)</span> 的 <span class="math inline">\(\delta\)</span> 邻域。以邻域为基础,可以定义点集的内点、外点、边界点和聚点以及开集、闭集、区域等一系列概念。</p>
<h2 id="二多元函数的概念">二、多元函数的概念</h2>
<p>定义1设 <span class="math inline">\(D\)</span> 是 <span class="math inline">\(\mathbb{R}^2\)</span> 上的一个非空子集,称映射 <span class="math inline">\(f:D \to \mathbb{R}\)</span> 为定义在 <span class="math inline">\(D\)</span> 上的 <mark>二元函数</mark> ,通常记为</p>
<p></p><div class="math display">\[z = f(x, y), \quad (x, y) \in D
\]</div><p></p><p>或</p>
<p></p><div class="math display">\[z = f(P), \quad P \in D,
\]</div><p></p><p>其中点集 <span class="math inline">\(D\)</span> 称为该函数的 <mark>定义域</mark> ,<span class="math inline">\(x\)</span> 和 <span class="math inline">\(y\)</span> 称为 <mark>自变量</mark> ,<span class="math inline">\(z\)</span> 称为 <mark>因变量</mark> 。</p>
<p>上述定义中,与自变量 <span class="math inline">\({x}\)</span> 和 <span class="math inline">\({y}\)</span> 的一对值(即二元有序实数组)<span class="math inline">\({(x, y)}\)</span> 相对应的因变量 <span class="math inline">\({z}\)</span> 的值,也称为 <span class="math inline">\({f}\)</span> 在点 <span class="math inline">\({(x, y)}\)</span> 处的函数值,记作 <span class="math inline">\({f(x, y)}\)</span> ,即 <span class="math inline">\({z=f(x, y)}\)</span> .函数值 <span class="math inline">\({f(x, y)}\)</span> 的全体所构成的集合称为函数 <span class="math inline">\({f}\)</span> 的<mark>值域</mark>,记作 <span class="math inline">\({f(D)}\)</span> ,即</p>
<p></p><div class="math display">\[f(D)=\{z | z=f(x, y),(x, y) \in D\} .
\]</div><p></p><p>与一元函数的情形相仿,记号 <span class="math inline">\({f}\)</span> 与 <span class="math inline">\({f(x, y)}\)</span> 的意义是有区别的,但习惯上常用记号 "<span class="math inline">\({f(x, y),(x, y) \in D}\)</span>"或"<span class="math inline">\({z=f(x, y),(x, y) \in D}\)</span>"来表示 <span class="math inline">\({D}\)</span> 上的二元函数 <span class="math inline">\({f}\)</span> .表示二元函数的记号 <span class="math inline">\({f}\)</span> 也是可以任意选取的,例如也可以记为 <span class="math inline">\({z=\varphi(x, y), z=z(x, y)}\)</span> 等.</p>
<p>类似地,可以定义三元函数 <span class="math inline">\({u=f(x, y, z),(x, y, z) \in D}\)</span> 以及三元以上的函数.一般地,把定义 1 中的平面点集 <span class="math inline">\({D}\)</span> 换成 <span class="math inline">\({n}\)</span> 维空间 <span class="math inline">\({\mathbb{R}^{n}}\)</span> 内的点集 <span class="math inline">\({D}\)</span> ,映射 <span class="math inline">\({f: D \rightarrow \mathbb{R}}\)</span> 就称为定义在 <span class="math inline">\({D}\)</span> 上的 <span class="math inline">\({n}\)</span> 元函数,通常记为</p>
<p></p><div class="math display">\[u=f\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right), \left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right) \in D
\]</div><p></p><p>或简记为</p>
<p></p><div class="math display">\[u=f(x),x=\left(x_{1}, x_{2}, \cdots, x_{n}\right) \in D
\]</div><p></p><p>也可记为</p>
<p></p><div class="math display">\[u = f(P), \quad P(x_1, x_2, \cdots, x_n) \in D.
\]</div><p></p><p>当 <span class="math inline">\({n=2}\)</span> 或 <span class="math inline">\({n=3}\)</span> 时,习惯上将点 <span class="math inline">\({\left(x_{1}, x_{2}\right)}\)</span> 与点 <span class="math inline">\({\left(x_{1}, x_{2}, x_{3}\right)}\)</span> 分别写成 <span class="math inline">\({(x, y)}\)</span> 与 <span class="math inline">\({(x, y, z)}\)</span> .这时,若用字母表示 <span class="math inline">\({\mathbb{R}^{2}}\)</span> 或 <span class="math inline">\({\mathbb{R}^{3}}\)</span> 中的点,即写成 <span class="math inline">\({P(x, y)}\)</span> 或 <span class="math inline">\({M(x, y, z)}\)</span> ,则相应的二元函数及三元函数也可简记为 <span class="math inline">\({z=f(P)}\)</span> 及 <span class="math inline">\({u=f(M)}\)</span> .</p>
<p>当 <span class="math inline">\({n=1}\)</span> 时,<span class="math inline">\({n}\)</span> 元函数就是一元函数;当 <span class="math inline">\({n \geqslant 2}\)</span> 时,<span class="math inline">\({n}\)</span> 元函数统称为<mark>多元函数</mark>.</p>
<p>关于多元函数的定义域,与一元函数相类似,我们作如下约定:在一般地讨论用算式表达的多元函数 <span class="math inline">\({u=f(x)}\)</span> 时,就以使这个算式有意义的变元 <span class="math inline">\({x}\)</span> 的值所组成的点集为这个 <mark>多元函数的自然定义域</mark> 。因而,对这类函数,它的定义域不再特别标出。例如,函数 <span class="math inline">\({z=\ln (x+y)}\)</span> 的定义域为</p>
<p></p><div class="math display">\[\{(x, y) | x+y&gt;0\}
\]</div><p></p><p>(图 9-2),这是一个无界开区域.</p>
<p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/1515107/202508/1515107-20250823192437914-661491237.png" alt="9.1图9-2" loading="lazy"></p>
<p>又如,函数 <span class="math inline">\({z=\arcsin \left(x^{2}+y^{2}\right)}\)</span> 的定义域为</p>
<p></p><div class="math display">\[\left\{(x, y) | x^{2}+y^{2} \leqslant 1\right\}
\]</div><p></p><p>(图9-3),这是一个有界闭区域.</p>
<p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/1515107/202508/1515107-20250823192459187-1017494842.png" alt="9.1图9-3" loading="lazy"></p>
<p>设函数 $ z=f(x, y) $ 的定义域为 <span class="math inline">\(D\)</span> .对于任意取定的点 <span class="math inline">\(P(x, y) \in D\)</span> ,对应的函数值为 $ z=f(x, y) $ .这样,以 <span class="math inline">\(x\)</span> 为横坐标、 <span class="math inline">\(y\)</span> 为纵坐标和 $ z=f(x, y) $ 为竖坐标在空间就确定一点 <span class="math inline">\(M(x, y, z)\)</span> .当 <span class="math inline">\((x, y)\)</span> 遍取 <span class="math inline">\(D\)</span>上的一切点时,得到一个空间点集</p>
<p></p><div class="math display">\[\{(x, y, z) \mid z=f(x, y),(x, y) \in D\},
\]</div><p></p><p>这个点集称为 <mark>二元函数 $ z=f(x, y) $ 的图形</mark> (图9-4).通常我们也说二元函数的图形是一张曲面.</p>
<p><img src="https://img2024.cnblogs.com/blog/1515107/202508/1515107-20250823192902319-476169196.png" alt="9.1图9-4" loading="lazy"></p>
<p>例如,由空间解析几何知道,线性函数 <span class="math inline">\(z=a x+b y+c\)</span>的图形是一张平面,而函数 <span class="math inline">\(z=x^{2}+y^{2}\)</span> 的图形是旋转抛物面.</p>
<h2 id="三多元函数的极限">三、多元函数的极限</h2>
<p>先讨论二元函数 <span class="math inline">\(z=f(x, y)\)</span> 当 <span class="math inline">\((x, y) \rightarrow\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> ,即 <span class="math inline">\(P(x, y) \rightarrow P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 时的极限.<br>
这里 <span class="math inline">\(P \rightarrow P_{0}\)</span> 表示点 <span class="math inline">\(P\)</span> 以任何方式趋于点 <span class="math inline">\(P_{0}\)</span> ,也就是点 <span class="math inline">\(P\)</span> 与点 <span class="math inline">\(P_{0}\)</span> 间的距离趋于零,即</p>
<p></p><div class="math display">\[\left|P P_{0}\right|=\sqrt{\left(x-x_{0}\right)^{2}+\left(y-y_{0}\right)^{2}} \rightarrow 0 .
\]</div><p></p><p>与一元函数的极限概念类似,如果在 <span class="math inline">\(P(x, y) \rightarrow P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 的过程中,对应的函数值 $ f(x, y) $ 无限接近于一个确定的常数 <span class="math inline">\(A\)</span> ,那么就说 <span class="math inline">\(A\)</span> 是函数 $ f(x, y) $ 当 <span class="math inline">\((x, y) \rightarrow \left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 时的极限.下面用"<span class="math inline">\(\varepsilon-\delta\)</span>"语言描述这个极限概念.</p>
<p>定义 2   设二元函数 <span class="math inline">\(f(P)=f(x, y)\)</span> 的定义域为 <span class="math inline">\(D, P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 是 <span class="math inline">\(D\)</span> 的聚点.如果存在常数 <span class="math inline">\(A\)</span> ,对于任意给定的正数 <span class="math inline">\(\varepsilon\)</span> ,总存在正数 <span class="math inline">\(\delta\)</span> ,使得当点 <span class="math inline">\(P(x, y) \in D \cap \stackrel{\circ}{U}\left(P_{0}, \delta\right)\)</span> 时,都有</p>
<p></p><div class="math display">\[|f(P)-A|=|f(x, y)-A|&lt;\varepsilon
\]</div><p></p><p>成立,那么就称常数 <span class="math inline">\(A\)</span> 为函数 <span class="math inline">\(f(x, y)\)</span> 当 <span class="math inline">\((x, y) \rightarrow\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 时的极限,记作</p>
<p></p><div class="math display">\[\lim _{(x, y) \rightarrow\left(x_{0}, y_{0}\right)} f(x, y)=A \quad 或 \quad f(x, y) \rightarrow A\left((x, y) \rightarrow\left(x_{0}, y_{0}\right)\right) ,
\]</div><p></p><p>也记作</p>
<p></p><div class="math display">\[\lim _{P \rightarrow P_{0}} f(P)=A \quad 或 \quad f(P) \rightarrow A\left(P \rightarrow P_{0}\right) .
\]</div><p></p><p>为了区别于一元函数的极限,我们把二元函数的极限叫做 <mark>二重极限</mark> 。</p>
<p>必须注意,所谓二重极限存在,是指 <span class="math inline">\(P(x, y)\)</span> 以任何方式趋于 <span class="math inline">\(P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 时, $ f(x, y) $ 都无限接近于 <span class="math inline">\(A\)</span> 。因此,如果 <span class="math inline">\(P(x, y)\)</span> 以某一特殊方式,例如沿着一条定直线或定曲线趋于 <span class="math inline">\(P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 时,即使 $ f(x, y) $ 无限接近于某一确定值,我们还不能由此断定函数的极限存在.但是反过来,如果当 <span class="math inline">\(P(x, y)\)</span> 以不同的方式趋于 <span class="math inline">\(P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 时, $ f(x, y) $ 趋于不同的值,那么就可以断定这函数的极限不存在.</p>
<p>以上关于二元函数的极限概念,可相应地推广到 <span class="math inline">\(n\)</span> 元函数 <span class="math inline">\(u=f(P)\)</span> ,即 <span class="math inline">\(u=f\left(x_{1}\right.\)</span> , <span class="math inline">\(\left.x_{2}, \cdots, x_{n}\right)\)</span> 上去.</p>
<p>关于多元函数的极限运算,有与一元函数类似的运算法则.</p>
<h2 id="四多元函数的连续性">四、多元函数的连续性</h2>
<p>定义 3   设二元函数 <span class="math inline">\(f(P)=f(x, y)\)</span> 的定义域为 <span class="math inline">\(D, P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 为 <span class="math inline">\(D\)</span> 的聚点,且 <span class="math inline">\(P_{0} \in D\)</span>.如果</p>
<p></p><div class="math display">\[\lim _{(x, y) \rightarrow\left(x_{0}, y_{0}\right)} f(x, y)=f\left(x_{0}, y_{0}\right),
\]</div><p></p><p>那么称函数 $ f(x, y) $ 在点 <span class="math inline">\(P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 连续.<br>
设函数 $ f(x, y) $ 在 <span class="math inline">\(D\)</span> 上有定义,<span class="math inline">\(D\)</span> 内的每一点都是函数定义域的聚点。如果函数 $ f(x, y) $ 在 <span class="math inline">\(D\)</span> 的每一点都连续,那么就称函数 $ f(x, y) $ 在 <span class="math inline">\(D\)</span> 上连续,或者称 $ f(x, y) $ 是 <span class="math inline">\(D\)</span>上的 <mark>连续函数</mark> .</p>
<p>以上关于二元函数的连续性概念,可相应地推广到 <span class="math inline">\(n\)</span> 元函数 <span class="math inline">\(f(P)\)</span> 上去.</p>
<p>定义 4   设函数 $ f(x, y) $ 的定义域为 <span class="math inline">\(D, P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 是 <span class="math inline">\(D\)</span> 的聚点.如果函数 $ f(x, y) $ 在点 <span class="math inline">\(P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 不连续,那么称 <span class="math inline">\(P_{0}\left(x_{0}, y_{0}\right)\)</span> 为函数 $ f(x, y) $ 的间断点.</p>
<p>一切多元初等函数在其定义区域内是连续的。所谓 <mark>定义区域</mark> 是指包含在定义域内的区域或闭区域。</p>
<p>由多元初等函数的连续性,如果要求它在点 <span class="math inline">\(P_0\)</span> 处的极限,而该点又在此函数的定义区域内,那么此极限值就是函数在该点的函数值,即</p>
<p></p><div class="math display">\[\lim \limits_{P \to P_0} f(P) = f(P_0).
\]</div><p></p><p>在有界闭区域上连续的多元函数具有如下性质:</p>
<p>性质1(有界性与最大值最小值定理)在有界闭区域 <span class="math inline">\(D\)</span> 上的多元连续函数,必定在 <span class="math inline">\(D\)</span> 上有界,且能取得它的最大值和最小值.</p>
<p>性质1就是说,若 <span class="math inline">\(f(P)\)</span> 在有界闭区域 <span class="math inline">\(D\)</span> 上连续,则必定存在常数 <span class="math inline">\(M&gt;0\)</span> ,使得对一切 <span class="math inline">\(P \in D\)</span> ,有 <span class="math inline">\(|f(P)| \leqslant M\)</span> ;且存在 <span class="math inline">\(P_{1}, P_{2} \in D\)</span> ,使得</p>
<p></p><div class="math display">\[f\left(P_{1}\right)=\max \{f(P) \mid P \in D\}, \quad f\left(P_{2}\right)=\min \{f(P) \mid P \in D\} .
\]</div><p></p><p>性质2(介值定理)在有界闭区域 <span class="math inline">\(D\)</span> 上的多元连续函数必取得介于最大值和最小值之间的任何值.<br>
*性质3(一致连续性定理)在有界闭区域 <span class="math inline">\(D\)</span> 上的多元连续函数必定在 <span class="math inline">\(D\)</span> 上 <mark>一致连续</mark> .</p>
<p>性质3就是说,若 <span class="math inline">\(f(P)\)</span> 在有界闭区域 <span class="math inline">\(D\)</span> 上连续,则对于任意给定的正数 <span class="math inline">\(\varepsilon\)</span> ,总存在正数 <span class="math inline">\(\delta\)</span> ,使得对于 <span class="math inline">\(D\)</span> 上的任意两点 <span class="math inline">\(P_{1}, P_{2}\)</span> ,只要当 <span class="math inline">\(\left|P_{1} P_{2}\right|&lt;\delta\)</span> 时,都有</p>
<p></p><div class="math display">\[\left|f\left(P_{1}\right)-f\left(P_{2}\right)\right|&lt;\varepsilon
\]</div><p></p><p>成立.</p>


</div>
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      <span style="margin-left: 10px; font-weight: bold">作者: 暮颜—— <b style="color: red">衣带渐宽终不悔</b></span>
      <br />
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