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验证函数$f(x,y)=|xy|^p$在$(0,0)$处可微时参数$p$取值范围的求解过程是否正确

验证函数$f(x,y)=|xy|^p$在$(0,0)$处可微时参数$p$取值范围的求解过程是否正确

我来帮你仔细梳理并检查这个求解过程哈:

你的思路亮点

你首先准确求出了函数在原点处的两个偏导数都是0,这一步完全正确;接着紧扣多元函数可微的定义,把问题转化为验证一个极限是否为0,这个方向没问题;最后用极坐标变换简化极限计算,这也是多元函数极限里的常用技巧,思路框架是对的。

需要修正的错误点

不过在判断极限趋于0的条件时,你出现了小失误:
你得出“$2p-1\geq 1 \implies p \geq 1$”的结论不准确。我们来看极坐标变换后的极限:
$$\lim_{r \to 0} r^{2p-1}\left\vert \frac{\sin2\theta}{2} \right\vert^p$$
这里$\left\vert \frac{\sin2\theta}{2} \right\vertp$是**有界量**(最大值是$\left(\frac{1}{2}\right)p$,不会超过1),要让整个表达式对所有$\theta$都趋于0,只需要$r$的幂次$2p-1>0$就行——因为当$2p-1>0$时,$r^{2p-1}$是$r$的正数次幂,$r\to0$时这个项会趋于0,乘以有界量后整体还是趋于0。

我们分情况细化验证:

  • 当$p>\frac{1}{2}$时,$2p-1>0$,极限对所有$\theta$都趋于0,满足可微的定义;
  • 当$p=\frac{1}{2}$时,极限变为$\left\vert \frac{\sin2\theta}{2} \right\vert^{\frac{1}{2}}$,这个值会随$\theta$变化(比如$\theta=\frac{\pi}{4}$时是$\frac{1}{\sqrt{2}}$,$\theta=0$时是0),极限不存在,函数不可微;
  • 当$p<\frac{1}{2}$时,$2p-1<0$,$r{2p-1}=\frac{1}{r{1-2p}}$,$r\to0$时这个项趋于无穷大,整体极限不存在,函数不可微。

最终正确结论

函数$f(x,y)=|xy|^p$在$(0,0)$处可微的充要条件是$\boldsymbol{p>\frac{1}{2}}$。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Maths

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