§A1.1 偏导数:固定其余变量§A1.2 全微分:线性近似§A1.3 链式法则自测题 正文从第1章 起就大量使用带下标的偏导数,例如 ( ∂ S / ∂ U ) V , N (\partial S/\partial U)_{V,N} ( ∂ S / ∂ U ) V , N 。本节只作简要回顾,重点是"固定哪些变量"这件事。
§A1.1 偏导数:固定其余变量
设 f f f 依赖于两个自变量 x , y x,y x , y 。偏导数 是只让一个自变量变化、其余自变量保持不变时的变化率:
( ∂ f ∂ x ) y = lim h → 0 f ( x + h , y ) − f ( x , y ) h , ( ∂ f ∂ y ) x = lim k → 0 f ( x , y + k ) − f ( x , y ) k (A1.1) \left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)_y = \lim_{h\to0}\frac{f(x+h,y) - f(x,y)}{h},\qquad \left(\frac{\partial f}{\partial y}\right)_x = \lim_{k\to0}\frac{f(x,y+k) - f(x,y)}{k} \tag{A1.1} ( ∂ x ∂ f ) y = h → 0 lim h f ( x + h , y ) − f ( x , y ) , ( ∂ y ∂ f ) x = k → 0 lim k f ( x , y + k ) − f ( x , y ) ( A1.1 )
计算时把其余变量当作常数,按一元函数求导即可。例如 f = x 2 y f = x^2y f = x 2 y :( ∂ f / ∂ x ) y = 2 x y (\partial f/\partial x)_y = 2xy ( ∂ f / ∂ x ) y = 2 x y ,( ∂ f / ∂ y ) x = x 2 (\partial f/\partial y)_x = x^2 ( ∂ f / ∂ y ) x = x 2 。也常记作 f x f_x f x 、f y f_y f y 或 ∂ x f \partial_xf ∂ x f 、∂ y f \partial_yf ∂ y f ;二阶偏导数记作 f x x f_{xx} f xx 、f x y = ∂ y ( ∂ x f ) f_{xy} = \partial_y(\partial_xf) f x y = ∂ y ( ∂ x f ) 等。
下标不能省略的原因。 数学书里自变量是固定的一组,下标往往省去;热力学里同一个量可以用不同的变量组来描述(S S S 可以写成 T , V T,V T , V 的函数,也可以写成 T , p T,p T , p 的函数),"对 T T T 求偏导"的结果取决于另一个变量是谁。一个纯数学的例子:仍取 f = x 2 y f = x^2y f = x 2 y ,但改用 x x x 与 u = x y u = xy u = x y 作自变量,则 f = x u f = xu f = xu ,于是
( ∂ f ∂ x ) u = u = x y ≠ ( ∂ f ∂ x ) y = 2 x y \left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)_u = u = xy\ \ne\ \left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)_y = 2xy ( ∂ x ∂ f ) u = u = x y = ( ∂ x ∂ f ) y = 2 x y
两者都是"f f f 对 x x x 的偏导数",但沿不同的方向变化:前者让 x x x 变化时 y y y 也跟着变化,以保持 x y xy x y 不变。热力学中的例子是 ( ∂ S / ∂ T ) V = C V / T (\partial S/\partial T)_V = C_V/T ( ∂ S / ∂ T ) V = C V / T 与 ( ∂ S / ∂ T ) p = C p / T (\partial S/\partial T)_p = C_p/T ( ∂ S / ∂ T ) p = C p / T (见 (1.18) ),二者之差乘以 T T T 就是 (1.20) 。两种偏导数之间的换算公式见 §A4.4 的 (A4.4) 。
§A1.2 全微分:线性近似
若 f f f 的偏导数连续,则当自变量同时有小的改变时
f ( x + d x , y + d y ) − f ( x , y ) = ( ∂ f ∂ x ) y d x + ( ∂ f ∂ y ) x d y + ( 比 d x 、 d y 高阶的小量 ) (A1.2) f(x+dx,\,y+dy) - f(x,y) = \left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)_ydx + \left(\frac{\partial f}{\partial y}\right)_xdy + (\text{比 }dx\text{、}dy\text{ 高阶的小量}) \tag{A1.2} f ( x + d x , y + d y ) − f ( x , y ) = ( ∂ x ∂ f ) y d x + ( ∂ y ∂ f ) x d y + ( 比 d x 、 d y 高阶的小量 ) ( A1.2 )
右边的线性部分称为 f f f 的全微分 d f df df 。它的含义是:在足够小的范围内,曲面 z = f ( x , y ) z = f(x,y) z = f ( x , y ) 可以用切平面代替;两个方向的变化可以分别计算、再叠加。n n n 个自变量时 d f = ∑ i ( ∂ f / ∂ x i ) d x i df = \sum_i(\partial f/\partial x_i)\,dx_i df = ∑ i ( ∂ f / ∂ x i ) d x i 。
热力学基本方程 (1.6) 、(1.7) 就是全微分。反过来,如果已知 d f = A d x + B d y df = A\,dx + B\,dy df = A d x + B d y ,就可以直接读出偏导数 A = ( ∂ f / ∂ x ) y A = (\partial f/\partial x)_y A = ( ∂ f / ∂ x ) y 、B = ( ∂ f / ∂ y ) x B = (\partial f/\partial y)_x B = ( ∂ f / ∂ y ) x ——(1.8) 和 §1.6 中从 d F dF d F 读出 S S S 、p p p 、μ \mu μ 都是这样做的。什么样的微分式能写成某个函数的全微分,是附录 A2 的内容。
§A1.3 链式法则
沿一条曲线。 若 x = x ( t ) x = x(t) x = x ( t ) 、y = y ( t ) y = y(t) y = y ( t ) ,则 g ( t ) = f ( x ( t ) , y ( t ) ) g(t) = f(x(t),y(t)) g ( t ) = f ( x ( t ) , y ( t )) 的导数为
d g d t = ∂ f ∂ x d x d t + ∂ f ∂ y d y d t (A1.3) \frac{dg}{dt} = \frac{\partial f}{\partial x}\frac{dx}{dt} + \frac{\partial f}{\partial y}\frac{dy}{dt} \tag{A1.3} d t d g = ∂ x ∂ f d t d x + ∂ y ∂ f d t d y ( A1.3 )
记忆方法:把 (A1.2) 两边"除以 d t dt d t "。
换一组变量。 若 x = x ( u , v ) x = x(u,v) x = x ( u , v ) 、y = y ( u , v ) y = y(u,v) y = y ( u , v ) ,则
( ∂ f ∂ u ) v = ∂ f ∂ x ( ∂ x ∂ u ) v + ∂ f ∂ y ( ∂ y ∂ u ) v (A1.4) \left(\frac{\partial f}{\partial u}\right)_v = \frac{\partial f}{\partial x}\left(\frac{\partial x}{\partial u}\right)_v + \frac{\partial f}{\partial y}\left(\frac{\partial y}{\partial u}\right)_v \tag{A1.4} ( ∂ u ∂ f ) v = ∂ x ∂ f ( ∂ u ∂ x ) v + ∂ y ∂ f ( ∂ u ∂ y ) v ( A1.4 )
(固定 v v v 时只有 u u u 在变,相当于沿一条以 u u u 为参数的曲线应用 (A1.3) 。)
正文中的几个例子。
§1.5 :总熵 S = S 1 ( U 1 ) + S 2 ( U − U 1 ) S = S_1(U_1) + S_2(U - U_1) S = S 1 ( U 1 ) + S 2 ( U − U 1 ) 对 U 1 U_1 U 1 求导。第二项中 S 2 S_2 S 2 的自变量是 U 2 = U − U 1 U_2 = U - U_1 U 2 = U − U 1 ,d U 2 / d U 1 = − 1 dU_2/dU_1 = -1 d U 2 / d U 1 = − 1 ,所以 d S / d U 1 = ∂ S 1 / ∂ U 1 − ∂ S 2 / ∂ U 2 dS/dU_1 = \partial S_1/\partial U_1 - \partial S_2/\partial U_2 d S / d U 1 = ∂ S 1 / ∂ U 1 − ∂ S 2 / ∂ U 2 。
§1.6 :换用 β = 1 / ( k B T ) \beta = 1/(k_{\mathrm B}T) β = 1/ ( k B T ) 为自变量。一元情形的链式法则给出 ∂ / ∂ β = ( d T / d β ) ∂ / ∂ T = − k B T 2 ∂ / ∂ T \partial/\partial\beta = (dT/d\beta)\,\partial/\partial T = -k_{\mathrm B}T^2\,\partial/\partial T ∂ / ∂ β = ( d T / d β ) ∂ / ∂ T = − k B T 2 ∂ / ∂ T ,由此得到 (1.15) 。
§1.9 的欧拉定理:对 f ( λ x 1 , … , λ x n ) f(\lambda x_1,\dots,\lambda x_n) f ( λ x 1 , … , λ x n ) 关于 λ \lambda λ 求导,每个自变量 λ x i \lambda x_i λ x i 对 λ \lambda λ 的导数是 x i x_i x i ,由 (A1.3) 得 ∑ i x i ∂ f / ∂ ( λ x i ) \sum_ix_i\,\partial f/\partial(\lambda x_i) ∑ i x i ∂ f / ∂ ( λ x i ) (详见附录 A9 )。
§27.3 麦克斯韦 1860 年的推导:Ψ ( v x 2 + v y 2 + v z 2 ) \Psi(v_x^2+v_y^2+v_z^2) Ψ ( v x 2 + v y 2 + v z 2 ) 对 v x v_x v x 求偏导,内层函数 v 2 v^2 v 2 对 v x v_x v x 的偏导数是 2 v x 2v_x 2 v x ,所以结果是 2 v x Ψ ′ ( v 2 ) 2v_x\Psi'(v^2) 2 v x Ψ ′ ( v 2 ) 。
常见错误。 把"f f f 作为 x , y x,y x , y 的函数对 x x x 的偏导数"与"f f f 沿某条曲线对 x x x 的导数"混为一谈。例如 f ( x , y ) f(x,y) f ( x , y ) 中 y = y ( x ) y = y(x) y = y ( x ) 时,d f / d x = ∂ f / ∂ x + ( ∂ f / ∂ y ) d y / d x df/dx = \partial f/\partial x + (\partial f/\partial y)\,dy/dx df / d x = ∂ f / ∂ x + ( ∂ f / ∂ y ) d y / d x ,比偏导数多了第二项。
自测题
设 f = x 2 + y 2 f = x^2 + y^2 f = x 2 + y 2 ,x = r cos θ x = r\cos\theta x = r cos θ ,y = r sin θ y = r\sin\theta y = r sin θ 。用 (A1.4) 求 ( ∂ f / ∂ r ) θ (\partial f/\partial r)_\theta ( ∂ f / ∂ r ) θ 与 ( ∂ f / ∂ θ ) r (\partial f/\partial\theta)_r ( ∂ f / ∂ θ ) r 。[答:2 r 2r 2 r 与 0 0 0 ;直接代入 f = r 2 f = r^2 f = r 2 可验证。]
理想气体 p V = N k B T pV = Nk_{\mathrm B}T p V = N k B T 。分别求 ( ∂ p / ∂ T ) V (\partial p/\partial T)_V ( ∂ p / ∂ T ) V 与 ( ∂ p / ∂ T ) ρ (\partial p/\partial T)_{\rho} ( ∂ p / ∂ T ) ρ (ρ = N / V \rho = N/V ρ = N / V 固定)以及 ( ∂ p / ∂ T ) V / T (\partial p/\partial T)_{V/T} ( ∂ p / ∂ T ) V / T 。[答:N k B / V Nk_{\mathrm B}/V N k B / V ;ρ k B \rho k_{\mathrm B} ρ k B (与第一个相同);p = N k B / ( V / T ) p = Nk_{\mathrm B}/(V/T) p = N k B / ( V / T ) 在 V / T V/T V / T 固定时不随 T T T 变,为 0 0 0 。]
设 g ( t ) = f ( t , t 2 ) g(t) = f(t,t^2) g ( t ) = f ( t , t 2 ) ,其中 f ( x , y ) = x y f(x,y) = xy f ( x , y ) = x y 。用 (A1.3) 求 g ′ ( t ) g'(t) g ′ ( t ) ,并与直接计算比较。[答:y + x ⋅ 2 t = 3 t 2 y + x\cdot2t = 3t^2 y + x ⋅ 2 t = 3 t 2 。]
这一篇已记为读完。标为未读