数学基础 · 附录 A 微积分要点 · A1

多元函数、偏导数与链式法则

Multivariable Functions, Partial Derivatives and the Chain Rule
已完成速查更新于 2026.10.08统计物理讲义 v1.0

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}。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 ff 依赖于两个自变量 x,yx,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→0f(x+h,y)−f(x,y)h,(∂f∂y)x=lim⁡k→0f(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}

计算时把其余变量当作常数,按一元函数求导即可。例如 f=x2yf = x^2y:(∂f/∂x)y=2xy(\partial f/\partial x)_y = 2xy,(∂f/∂y)x=x2(\partial f/\partial y)_x = x^2。也常记作 fxf_x、fyf_y 或 ∂xf\partial_xf、∂yf\partial_yf;二阶偏导数记作 fxxf_{xx}、fxy=∂y(∂xf)f_{xy} = \partial_y(\partial_xf) 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(SS 可以写成 T,VT,V 的函数,也可以写成 T,pT,p 的函数),"对 TT 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=x2yf = x^2y,但改用 xx 与 u=xyu = xy 作自变量,则 f=xuf = xu,于是

(∂f∂x)u=u=xy ≠ (∂f∂x)y=2xy\left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)_u = u = xy\ \ne\ \left(\frac{\partial f}{\partial x}\right)_y = 2xy

两者都是"ff 对 xx 的偏导数",但沿不同的方向变化:前者让 xx 变化时 yy 也跟着变化,以保持 xyxy 不变。热力学中的例子是 (∂S/∂T)V=CV/T(\partial S/\partial T)_V = C_V/T 与 (∂S/∂T)p=Cp/T(\partial S/\partial T)_p = C_p/T(见 (1.18)),二者之差乘以 TT 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 ff 的偏导数连续,则当自变量同时有小的改变时

f(x+dx, y+dy)−f(x,y)=(∂f∂x)ydx+(∂f∂y)xdy+(比 dx、dy 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}

右边的线性部分称为 ff 的全微分 dfdf。它的含义是:在足够小的范围内,曲面 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。nn 个自变量时 df=∑i(∂f/∂xi) dxidf = \sum_i(\partial f/\partial x_i)\,dx_i。

热力学基本方程 (1.6)、(1.7) 就是全微分。反过来,如果已知 df=A dx+B dydf = A\,dx + B\,dy,就可以直接读出偏导数 A=(∂f/∂x)yA = (\partial f/\partial x)_y、B=(∂f/∂y)xB = (\partial f/\partial y)_x——(1.8) 和 §1.6 中从 dFdF 读出 SS、pp、μ\mu 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)、y=y(t)y = y(t),则 g(t)=f(x(t),y(t))g(t) = f(x(t),y(t)) 的导数为

dgdt=∂f∂xdxdt+∂f∂ydydt(A1.3)\frac{dg}{dt} = \frac{\partial f}{\partial x}\frac{dx}{dt} + \frac{\partial f}{\partial y}\frac{dy}{dt} \tag{A1.3}

记忆方法:把 (A1.2) 两边"除以 dtdt"。

换一组变量。 若 x=x(u,v)x = x(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}

(固定 vv 时只有 uu 在变,相当于沿一条以 uu 为参数的曲线应用 (A1.3)。)

正文中的几个例子。

  1. §1.5:总熵 S=S1(U1)+S2(U−U1)S = S_1(U_1) + S_2(U - U_1) 对 U1U_1 求导。第二项中 S2S_2 的自变量是 U2=U−U1U_2 = U - U_1,dU2/dU1=−1dU_2/dU_1 = -1,所以 dS/dU1=∂S1/∂U1−∂S2/∂U2dS/dU_1 = \partial S_1/\partial U_1 - \partial S_2/\partial U_2。
  2. §1.6:换用 β=1/(kBT)\beta = 1/(k_{\mathrm B}T) 为自变量。一元情形的链式法则给出 ∂/∂β=(dT/dβ) ∂/∂T=−kBT2 ∂/∂T\partial/\partial\beta = (dT/d\beta)\,\partial/\partial T = -k_{\mathrm B}T^2\,\partial/\partial T,由此得到 (1.15)。
  3. §1.9 的欧拉定理:对 f(λx1,…,λxn)f(\lambda x_1,\dots,\lambda x_n) 关于 λ\lambda 求导,每个自变量 λxi\lambda x_i 对 λ\lambda 的导数是 xix_i,由 (A1.3) 得 ∑ixi ∂f/∂(λxi)\sum_ix_i\,\partial f/\partial(\lambda x_i)(详见附录 A9)。
  4. §27.3 麦克斯韦 1860 年的推导:Ψ(vx2+vy2+vz2)\Psi(v_x^2+v_y^2+v_z^2) 对 vxv_x 求偏导,内层函数 v2v^2 对 vxv_x 的偏导数是 2vx2v_x,所以结果是 2vxΨ′(v2)2v_x\Psi'(v^2)。

常见错误。 把"ff 作为 x,yx,y 的函数对 xx 的偏导数"与"ff 沿某条曲线对 xx 的导数"混为一谈。例如 f(x,y)f(x,y) 中 y=y(x)y = y(x) 时,df/dx=∂f/∂x+(∂f/∂y) dy/dxdf/dx = \partial f/\partial x + (\partial f/\partial y)\,dy/dx,比偏导数多了第二项。

自测题

  1. 设 f=x2+y2f = x^2 + y^2,x=rcos⁡θx = r\cos\theta,y=rsin⁡θy = r\sin\theta。用 (A1.4) 求 (∂f/∂r)θ(\partial f/\partial r)_\theta 与 (∂f/∂θ)r(\partial f/\partial\theta)_r。[答:2r2r 与 00;直接代入 f=r2f = r^2 可验证。]
  2. 理想气体 pV=NkBTpV = Nk_{\mathrm B}T。分别求 (∂p/∂T)V(\partial p/\partial T)_V 与 (∂p/∂T)ρ(\partial p/\partial T)_{\rho}(ρ=N/V\rho = N/V 固定)以及 (∂p/∂T)V/T(\partial p/\partial T)_{V/T}。[答:NkB/VNk_{\mathrm B}/V;ρkB\rho k_{\mathrm B}(与第一个相同);p=NkB/(V/T)p = Nk_{\mathrm B}/(V/T) 在 V/TV/T 固定时不随 TT 变,为 00。]
  3. 设 g(t)=f(t,t2)g(t) = f(t,t^2),其中 f(x,y)=xyf(x,y) = xy。用 (A1.3) 求 g′(t)g'(t),并与直接计算比较。[答:y+x⋅2t=3t2y + x\cdot2t = 3t^2。]