偏导数计算器

用 AI 分步计算偏导数、混合偏导数与梯度
partial of x^2*y + sin(y) w.r.t. x
second partial of e^(xy) w.r.t. x then y
gradient of f(x,y,z) = x^2+y^2+z^2
partial of ln(x^2+y^2) with respect to x

什么是偏导数?

偏导数衡量多元函数在保持其他变量固定时,相对于某一个变量的变化率。对于 f(x,y)f(x, y):

∂f∂x=lim⁡h→0f(x+h,y)−f(x,y)h\frac{\partial f}{\partial x} = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h, y) - f(x, y)}{h}

记号 ∂\partial(弯曲的 d)把偏导数与普通导数 ddx\frac{d}{dx} 区分开。等价记号包括 fxf_x、∂xf\partial_x f、DxfD_x f。

几何意义:∂f∂x(a,b)\frac{\partial f}{\partial x}(a, b) 是曲面 z=f(x,y)z = f(x,y) 在 (a,b)(a,b) 处沿 xx 方向的斜率——切线位于平面 y=by = b 内。

为什么重要:梯度下降、最优化、误差传播以及大部分向量微积分都建立在偏导数之上。梯度 ∇f=(fx,fy,fz)\nabla f = (f_x, f_y, f_z) 指向最陡上升方向。

如何计算偏导数

规则 1:把其他变量当作常数

要求 ∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x},把 y,z,…y, z, \ldots 当作常数,把 ff 当作 xx 的单变量函数来求导。

示例:f(x,y)=x2y+3yf(x, y) = x^2 y + 3y

  • ∂f∂x=2xy\frac{\partial f}{\partial x} = 2xy(3y3y 不含 xx 故消失)
  • ∂f∂y=x2+3\frac{\partial f}{\partial y} = x^2 + 3(x2x^2 充当系数)

规则 2:链式法则与乘积法则仍然适用

对于 f(x,y)=sin⁡(xy)f(x, y) = \sin(xy):

∂f∂x=cos⁡(xy)⋅y\frac{\partial f}{\partial x} = \cos(xy) \cdot y

对 xyxy 关于 xx 求导时,括号内的 yy 被当作常数系数。

高阶偏导数

fxx=∂2f∂x2,fxy=∂2f∂y∂xf_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2}, \quad f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x}

克莱罗定理(混合偏导数):若 ff 具有连续的二阶偏导数,则 fxy=fyxf_{xy} = f_{yx}。求导次序无关紧要。

梯度与方向导数

梯度是所有一阶偏导数构成的向量:

∇f=(∂f∂x,∂f∂y,∂f∂z)\nabla f = \left(\frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y}, \frac{\partial f}{\partial z}\right)

沿方向 u\mathbf{u}(单位向量)的方向导数为:

Duf=∇f⋅uD_\mathbf{u} f = \nabla f \cdot \mathbf{u}

当 u\mathbf{u} 沿 ∇f\nabla f 方向时取最大值——这是最陡上升方向。

链式法则(多元)

若 z=f(x,y)z = f(x, y) 且 x=x(t),y=y(t)x = x(t), y = y(t):

dzdt=∂f∂xdxdt+∂f∂ydydt\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial x}\frac{dx}{dt} + \frac{\partial f}{\partial y}\frac{dy}{dt}

需要避免的常见错误

  • 对错误的变量求导:始终先辨明哪个变量是「活动的」,哪些保持为常数。在草稿里给活动变量画下划线会有帮助。
  • 忘记链式法则:∂∂xsin⁡(xy)=ycos⁡(xy)\frac{\partial}{\partial x}\sin(xy) = y\cos(xy),而不仅是 cos⁡(xy)\cos(xy)。
  • 记号混淆:fxyf_{xy} 表示先对 xx 再对 yy 求导(有些书相反——查阅约定)。
  • 梯度方向错误:∇f\nabla f 指向最陡上升方向,而非运动方向。要最小化,应沿 ∇f\nabla f 的相反方向移动。
  • 混淆偏导数与全导数:当 xx 和 yy 都依赖 tt 时,使用链式法则——而不是 ∂f/∂t\partial f/\partial t,若 ff 不显含 tt 则它为零。

示例题目

Step 1: 求 ∂f/∂x\partial f/\partial x:把 yy 当作常数。∂f/∂x=2xy+0=2xy\partial f/\partial x = 2xy + 0 = 2xy
Step 2: 求 ∂f/∂y\partial f/\partial y:把 xx 当作常数。∂f/∂y=x2+3y2\partial f/\partial y = x^2 + 3y^2
Answer: fx=2xyf_x = 2xy, fy=x2+3y2f_y = x^2 + 3y^2

Step 1: 一阶偏导数:fx=yexyf_x = y e^{xy},fy=xexyf_y = x e^{xy}
Step 2: fxx=∂/∂x(yexy)=y⋅y⋅exy=y2exyf_{xx} = \partial/\partial x (y e^{xy}) = y \cdot y \cdot e^{xy} = y^2 e^{xy}
Step 3: fyy=∂/∂y(xexy)=x⋅x⋅exy=x2exyf_{yy} = \partial/\partial y (x e^{xy}) = x \cdot x \cdot e^{xy} = x^2 e^{xy}
Step 4: fxy=∂/∂y(yexy)=exy+y⋅x⋅exy=(1+xy)exyf_{xy} = \partial/\partial y (y e^{xy}) = e^{xy} + y \cdot x \cdot e^{xy} = (1 + xy)e^{xy}
Step 5: 验证克莱罗定理:fyx=∂/∂x(xexy)=exy+x⋅y⋅exy=(1+xy)exyf_{yx} = \partial/\partial x (x e^{xy}) = e^{xy} + x \cdot y \cdot e^{xy} = (1 + xy)e^{xy} ✓
Answer: fxx=y2exyf_{xx} = y^2 e^{xy}, fyy=x2exyf_{yy} = x^2 e^{xy}, fxy=fyx=(1+xy)exyf_{xy} = f_{yx} = (1+xy)e^{xy}

Step 1: ∂f/∂x=2x\partial f/\partial x = 2x,∂f/∂y=2y\partial f/\partial y = 2y,∂f/∂z=2z\partial f/\partial z = 2z
Step 2: ∇f=(2x,2y,2z)\nabla f = (2x, 2y, 2z)
Step 3: 在 (1,2,2)(1, 2, 2) 处求值:∇f(1,2,2)=(2,4,4)\nabla f(1,2,2) = (2, 4, 4)
Answer: ∇f(1,2,2)=(2,4,4)\nabla f(1,2,2) = (2, 4, 4)

常见问题

普通导数 df/dx 适用于单变量函数。偏导数 ∂f/∂x 适用于多元函数,衡量在保持其他变量固定时相对于某一个变量的变化率。

如果函数 f(x,y) 具有连续的二阶偏导数,则混合偏导数相等:f_xy = f_yx。此时求导次序无关紧要。

梯度是一个向量,指向 f 在某点处最陡上升的方向。它的模是该点的最大变化率。它还垂直于 f 的等值线和等值面。

梯度下降使用损失函数关于模型参数的梯度(偏导数向量)。算法沿负梯度方向更新参数以最小化损失。

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