隐函数定理

在数学分析中,隐函数定理()是一個用來回答下面的問題的工具:

以隐函数表示一個多變量函數,此函數的變量在局部上是否存在显式的关系?

隐函数定理说明,对于一个由关系 f(x,y) = 0 表示的隐函数,如果它在某一点的偏微分满足某些条件,则在该点有鄰域使得在該鄰域內 可以表示成关于 的函数:
:y =h(x)
这样就把隐函数关系变成了常见的函数关系。

舉一個簡單例子:假設兩個變量 滿足隱函數 ,此隱函數代表了平面上的單位圓,任取單位圓中的一點,那是否存在包含該點的鄰域跟定義在鄰域裡的顯函數 去(局部的)描述這單位圓的圖形?

答案是:除了 跟 兩點外,其他點局部上都有 的顯函數表達式。理由請看下面的隱函數定理。

例子
有函數 f(x,y)=x^2 + y^2,那么方程式 f(x,y)-1=0 的所有解的集合构成平面上的单位圆。圆上的点整體上是无法表示成單變數函數 y = h(x) 的形式的,因为每个x \in (-1,1),都有两个y的值与之对应,即\pm\sqrt{1-x^2}。

然而在某些點附近,局部地用 x 來表示 y 是可能的。比如给定圆上一点 (x,y),如果 y>0,也就是说如果只選取圓的上半部分的话,在这一点附近 y 可以写成关于 x 的函数:y = \sqrt{1-x^2} 。如果 y,在圓的下半部分 y 也可以写成关于 x 的函数:y = - \sqrt{1-x^2}。

但是,在点 (\pm1,0) 的附近,y 无法写成关于 x 的函数,因为這些點的每一个邻域中都包含了上半圆和下半圆的点,也就是說对于附近的每一个 x,都有两个 y 的值与之对应,這種情況下 y 無法寫成 x 的函數。

定理的叙述:欧几里得空间的情况
设 为一个连续可微函数。这里 被看作是两个空间的直积: ,于是 中的一个元素写成 的形式。 我們的目標是找到一個函數 ,讓這函數的圖形(graph of a function), , 局部上恰好等於集合{ },當然這目標不見得一定可以達成,接下來我們會看需要哪些條件來保證函數 的局部存在。

固定一点 使得 ,我們希望在點 的附近找到一個 关于 的函数 ,严格来说,就是说存在 的鄰域 和 的邻域 以及函數:,使得 的函數的圖形 剛好等於 中 的集合,也就是說:

:\{ (\mathbf{x}, h(\mathbf{x})) \mid \mathbf x \in U \} = \{ (\mathbf{x}, \mathbf{y})\in U \times V \mid f(\mathbf{x}, \mathbf{y}) = \mathbf{0} \}。

要保證这样的函数 存在,函数 的雅可比矩阵要满足某些性質。对于给定的一点 , 的雅可比矩阵写作:

:(Df)(\mathbf{a},\mathbf{b}) = \left[\begin{matrix}
\frac{\partial f_1}{\partial x_1}(\mathbf{a},\mathbf{b}) &
\cdots & \frac{\partial f_1}{\partial x_n}(\mathbf{a},\mathbf{b})\\
\vdots & \ddots & \vdots\\
\frac{\partial f_m}{\partial x_1}(\mathbf{a},\mathbf{b}) & \cdots & \frac{\partial f_m}{\partial x_n}(\mathbf{a},\mathbf{b})
\end{matrix}\right|\left.
\begin{matrix}
\frac{\partial f_1}{\partial y_1}(\mathbf{a},\mathbf{b}) & \cdots & \frac{\partial f_1}{\partial y_m}(\mathbf{a},\mathbf{b})\\
\vdots & \ddots & \vdots\\
\frac{\partial f_m}{\partial y_1}(\mathbf{a},\mathbf{b}) & \cdots & \frac{\partial f_m}{\partial y_m}(\mathbf{a},\mathbf{b})\\
\end{matrix}\right] = [X|Y]

其中的矩阵 X 是函數 关于變數 的偏微分,而矩陣 Y 是 关于變數 的偏微分。隐函数定理说明了:如果Y是一个可逆矩阵的话,那么满足前面性质的鄰域 、 和函数 就会存在。正式的敘述就是:

{{Quote box|align = center|width = 90%| quote = 设 为连续可微函数,讓 中的坐标记为 , 。给定一点 使得   (,是個零向量)。如果 矩陣 是可逆矩阵的话(此矩陣即上面的矩陣 Y),那么存在 的邻域 、 的邻域 以及唯一的连续可微函数 ,使得
:h(\mathbf{a}) = \mathbf{b}

:f(\mathbf{x}, h(\mathbf{x})) = \mathbf{0},\,\, 對所有的 \mathbf{x}\in U。

}}

一般情形
设E_1、E_2和F是三个巴拿赫空间,而U、V分别是E_1、E_2上的两个开集。设函数:
:f : U \times V \rightarrow F
是一個k~(k \ge 1)階可微函數(見Fréchet導數),并且对于E_1 \times E_2中的一点(x_0, y_0),满足:

  • f(x_0, y_0)=0
  • 映射 y\mapsto (Df(x_0, y_0))(0,y) 是一個從E_2到F的同構

那么有如下结论:
: 存在x_0的邻域 U_0 \subset U 、 y_0的邻域 V_0 \subset V ,以及 k 階Fréchet可微函數\varphi : U_0 \rightarrow V_0,使得:
: 对任意(x, y) \in U_0 \times V_0,只要f(x, y)=0,就有y = \varphi (x)。

参见
*反函数定理
*不动点定理
*压缩映射定理
*微分

参考来源
*
*

*.

*

*

*

*.

*

*

评论 (0)

  • 还没有评论,来抢沙发吧。