Функции многих переменных
§1. Понятие функции многих переменных.
Пусть имеется n
переменных величин
.
Каждый набор
обозначает точкуn
-
мерного
множества
(п
-мерный
вектор).
Пусть даны множества
и
.
Опр
.
Если каждой точке
ставится в соответствие единственное
число
,
то говорят, что задана числовая функция
n
переменных:
.
называют областью определения,
- множеством значений данной функции.
В случае n
=2
вместо
обычно пишутx
,
y
,
z
.
Тогда функция двух переменных имеет
вид:
z = f (x , y ).
Например,
- функция двух переменных;
- функция трех переменных;
Линейная функция n переменных.
Опр
.
Графиком функции n
переменных называется n
-
мерная
гиперповерхность в пространстве
,
каждая точка которой задается координатами
Например, графиком
функции двух переменных z
=
f
(x
,
y
)
является
поверхность в трехмерном пространстве,
каждая точка которой задается координатами
(x
,
y
,
z
)
,
где
,
и
.
Поскольку график функции трех и более переменных изобразить не представляется возможным, в основном мы будем (для наглядности) рассматривать функции двух переменных.
Построение графиков функций двух переменных является довольно сложной задачей. Существенную помощь в ее решении может оказать построение так называемых линий уровня.
Опр . Линией уровня функции двух переменных z = f (x , y ) называется множество точек плоскости ХОУ , являющихся проекцией сечения графика функции плоскостью, параллельной ХОУ. В каждой точке линии уровня функция имеет одно и то же значение. Линии уровня описываются уравнением f (x , y )=с , где с – некоторое число. Линий уровня бесконечно много, и через каждую точку области определения можно провести одну из них.
Опр
.
Поверхностью уровня функции n
переменных y
=
f
(
)
называется гиперповерхность в пространстве
,
в каждой точке которой значение функции
постоянно и равно некоторому значениюс
.
Уравнение поверхности уровня: f
(
)=с.
Пример . Построить график функции двух переменных
.
.
При с=1:
;
.
При с=4:
;
.
При с=9:
;
.
Линии уровня – концентрические окружности, радиус которых уменьшается с ростом z .
§2. Предел и непрерывность функции многих переменных.
Для функций многих переменных определяются те же понятия, что и для функции одной переменной. Например, можно дать определения предела и непрерывности функции.
Опр
.
Число А называется пределом функции
двух переменных z
=
f
(x
,
y
)
при
,
и обозначается
,
если для любого положительного числанайдется положительное число,
такое, что если точка
удалена от точки
на расстояние меньше,
то величиныf
(x
,
y
)
и А отличаются
меньше чем на
.
Опр
.
Если функция z
=
f
(x
,
y
)
определена в точке
и имеет в этой точке предел, равный
значению функции
,
то она называется непрерывной в данной
точке.
.
§3. Частные производные функции многих переменных.
Рассмотрим функцию
двух переменных
.
Зафиксируем
значение одного из ее аргументов,
например
,
положив
.
Тогда функция
есть функция одной переменной.
Пусть она имеет производную в точке:
.
Данная производная
называется частной производной (или
частной производной первого порядка)
функции
пов точке
и обозначается:
;
;
;
.
Разность
называется частным приращением пои обозначается
:
Учитывая приведенные обозначения, можно записать
.
Аналогично определяется
.
Частной производной функции нескольких переменных по одной из этих переменных называется предел отношения частного приращения функции к приращению соответствующей независимой переменной, когда это приращение стремится к нулю.
При нахождении частной производной по какому-либо аргументу другие аргументы считаются постоянными. Все правила и формулы дифференцирования функций одной переменной справедливы для частных производных функции многих переменных.
Заметим, что частные производные функции являются функциями тех же переменных. Эти функции, в свою очередь, могут иметь частные производные, которые называются вторыми частными производными (или частными производными второго порядка) исходной функции.
Например, функция
имеет четыре частных производных второго
порядка, которые обозначаются следующим
образом:
;
;
;
.
и
- смешанные частные производные.
Пример. Найти частные производные второго порядка для функции
.
Решение.
,
.
,
.
,
.
Задание .
1. Найти частные производные второго порядка для функций
,
;
2. Для функции
доказать, что
.
Полный дифференциал функции многих переменных.
При одновременном
изменении величин х
и у
функция
изменится на величину,
называемую полным приращением функцииz
в точке
.
Так же, как и в случае функции одной
переменной, возникает задача о
приближенной замене приращения
на линейную функцию от
и
.
Роль линейного приближения выполняетполный
дифференциал
функции:
Полный дифференциал второго порядка:
=
.
=
.
В общем виде полный дифференциал п -го порядка имеет вид:
Производная по направлению. Градиент.
Пусть функция
z
=
f
(x
,
y
)
определена в некоторой окрестности
точки M(x
,
y
)
и
- некоторое направление, задаваемое
единичным вектором
.
Координаты единичного вектора выражаются
через косинусы углов, образуемых вектором
и осями координат и называемых
направляющими косинусами:
,
.
При перемещении
точки M(x
,
y
)
в данном направлении l
в точку
функцияz
получит приращение
называемое приращением функции в данном направлении l .
Если ММ 1 =∆l , то
Т огда
О пр . Производной функции z = f (x , y ) по направлению называется предел отношения приращения функции в этом направлении к величине перемещения ∆l при стремлении последней к нулю:
Производная по направлению характеризует скорость изменения функции в данном направлении. Очевидно, что частные производные ипредставляют собой производные по направлениям, параллельным осямOx и Oy . Нетрудно показать, что
Пример
.
Вычислить производную функции
в точке (1;1) по направлению
.
Опр . Градиентом функции z = f (x , y ) называется вектор с координатами, равными частным производным:
.
Рассмотрим скалярное
произведение векторов
и
:
Легко видеть, что
,
т.е. производная по направлению равна
скалярному произведению градиента и
единичного вектора направления.
Поскольку
,
то скалярное произведение максимально,
когда векторы одинаково направлены.
Таким образом, градиент функции в точке
задает направление наискорейшего
возрастания функции в этой точке, а
модуль градиента равен максимальной
скорости роста функции.
Зная градиент функции, можно локально строить линии уровня функции.
Теорема
.
Пусть задана дифференцируемая функция
z
=
f
(x
,
y
)
и в точке
градиент функции не равен нулю:
.
Тогда градиент перпендикулярен линии
уровня, проходящей через данную точку.
Таким образом, если, начиная с некоторой точки, строить в близких точках градиент функции и малую часть перпендикулярной ему линии уровня, то можно (с некоторой погрешностью) построить линии уровня.
Локальный экстремум функции двух переменных
Пусть функция
определена и непрерывна в некоторой
окрестности точки
.
Опр
.
Точка
называется точкой локального максимума
функции
,
если существует такая окрестность точки,
в которой для любой точки
выполняется неравенство:
.
Аналогично вводится понятие локального минимума.
Теорема (необходимое условие локального экстремума) .
Для того, чтобы
дифференцируемая функция
имела локальный экстремум в точке
,
необходимо, чтобы все ее частные
производные первого порядка в этой
точке были равны нулю:
Итак, точками
возможного наличия экстремума являются
те точки, в которых функция дифференцируема,
а ее градиент равен 0:
.
Как и в случае функции одной переменной,
такие точки называются стационарными.
) мы уже неоднократно сталкивались с частными производными сложных функций наподобие и более трудными примерами. Так о чём же ещё можно рассказать?! …А всё как в жизни – нет такой сложности, которую было бы нельзя усложнить =) Но математика – на то и математика, чтобы укладывать многообразие нашего мира в строгие рамки. И иногда это удаётся сделать одним-единственным предложением:
В общем случае сложная функция имеет вид , где, по меньшей мере, одна из букв представляет собой функцию , которая может зависеть от произвольного количества переменных.
Минимальный и самый простой вариант – это давно знакомая сложная функция одной переменной, производную которой мы научились находить в прошлом семестре. Навыками дифференцирования функций вы тоже обладаете (взгляните на те же функции ) .
Таким образом, сейчас нас будет интересовать как раз случай . По причине великого разнообразия сложных функций общие формулы их производных имеют весьма громоздкий и плохо усваиваемый вид. В этой связи я ограничусь конкретными примерами, из которых вы сможете понять общий принцип нахождения этих производных:
Пример 1
Дана сложная функция , где . Требуется:
1) найти её производную и записать полный дифференциал 1-го порядка;
2) вычислить значение производной при .
Решение
: во-первых, разберёмся с самой функцией. Нам предложена функция, зависящая от и , которые в свою очередь являются функциями
одной переменной:
Во-вторых, обратим пристальное внимание на само задание – от нас требуется найти производнУЮ , то есть, речь идёт вовсе не о частных производных , которые мы привыкли находить! Так как функция фактически зависит только от одной переменной, то под словом «производная» подразумевается полная производная . Как её найти?
Первое, что приходит на ум, это прямая подстановка и дальнейшее дифференцирование. Подставим в функцию :
, после чего с искомой производной никаких проблем:
И, соответственно, полный дифференциал:
Это решение математически корректно, но маленький нюанс состоит в том, что когда задача формулируется так, как она сформулирована – такого варварства от вас никто не ожидает =) А если серьёзно, то придраться тут действительно можно. Представьте, что функция описывает полёт шмеля, а вложенные функции меняются в зависимости от температуры. Выполняя прямую подстановку , мы получаем лишь частную информацию , которая характеризует полёт, скажем, только в жаркую погоду. Более того, если человеку не сведущему в шмелях предъявить готовый результат и даже сказать, что это за функция, то он так ничего и не узнает о фундаментальном законе полёта!
Вот так вот совершенно неожиданно брат наш жужжащий помог осознать смысл и важность универсальной формулы:
Привыкайте к «двухэтажным» обозначениям производных – в рассматриваемом задании в ходу именно они. При этом следует быть очень аккуратным
в записи: производные с прямыми значками «дэ» – это полные производные
, а производные с округлыми значками – это частные производные
. С последних и начнём:
Ну а с «хвостами» вообще всё элементарно:
Подставим найденные производные в нашу формулу:
Когда функция изначально предложена в замысловатом виде, то будет логичным (и тому дано объяснение выше!)
оставить в таком же виде и результаты:
При этом в «навороченных» ответах лучше воздержаться даже от минимальных упрощений (тут, например, напрашивается убрать 3 минуса)
– и вам работы меньше, и мохнатый друг доволен рецензировать задание проще.
Однако не лишней будет черновая проверка. Подставим в найденную производную и проведём упрощения:
(на последнем шаге использованы тригонометрические формулы
, )
В результате получен тот же результат, что и при «варварском» методе решения.
Вычислим производную в точке . Сначала удобно выяснить «транзитные» значения (значения функций )
:
Теперь оформляем итоговые расчёты, которые в данном случае можно выполнить по-разному. Использую интересный приём, в котором 3 и 4 «этажа» упрощаются не по обычным правилам , а преобразуются как частное двух чисел:
И, конечно же, грех не проверить по более компактной записи :
Ответ
:
Бывает, что задача предлагается в «полуобщем» виде:
«Найти производную функции , где »
То есть «главная» функция не дана, но её «вкладыши» вполне конкретны. Ответ следует дать в таком же стиле:
Более того, условие могут немного подшифровать:
«Найти производную функции »
В этом случае нужно самостоятельно
обозначить вложенные функции какими-нибудь подходящими буквами, например, через и воспользоваться той же формулой:
К слову, о буквенных обозначениях. Я уже неоднократно призывал не «цепляться за буквы», как за спасательный круг, и сейчас это особенно актуально! Анализируя различные источники по теме, у меня вообще сложилось впечатление, что авторы «пошли вразнос» и стали безжалостно бросать студентов в бурные пучины математики =) Так что уж простите:))
Пример 2
Найти производную функции , если
Другие обозначения не должны приводить в замешательство! Каждый раз, когда вы встречаете подобное задание, нужно ответить на два простых вопроса:
1) От чего зависит «главная» функция? В данном случае функция «зет» зависит от двух функций («у» и «вэ»).
2) От каких переменных зависят вложенные функции? В данном случае оба «вкладыша» зависят только от «икса».
Таким образом, у вас не должно возникнуть трудностей, чтобы адаптировать формулу к этой задаче!
Краткое решение и ответ в конце урока.
Дополнительные примеры по первому виду можно найти в задачнике Рябушко (ИДЗ 10.1) , ну а мы берём курс на функцию трёх переменных :
Пример 3
Дана функция , где .
Вычислить производную в точке
Формула производной сложной функции , как многие догадываются, имеет родственный вид:
Решайте, раз догадались =)
На всякий случай приведу и общую формулу для функции :
, хотя на практике вы вряд ли встретите что-то длиннее Примера 3.
Кроме того, иногда приходится дифференцировать «урезанный» вариант – как правило, функцию вида либо . Оставляю вам этот вопрос для самостоятельного исследования – придумайте какую-нибудь простенькие примеры, подумайте, поэкспериментируйте и выведите укороченные формулы производных.
Если что-то осталось недопонятым, пожалуйста, неторопливо перечитайте и осмыслите первую часть урока, поскольку сейчас задача усложнится:
Пример 4
Найти частные производные сложной функции , где
Решение
: данная функция имеет вид , и после прямой подстановки и мы получаем привычную функцию двух переменных:
Но такой страх не то чтобы не принято, а уже и не хочется дифференцировать =) Поэтому воспользуемся готовыми формулами. Чтобы вы быстрее уловили закономерность, я выполню некоторые пометки:
Внимательно просмотрите картинку сверху вниз и слева направо….
Сначала найдём частные производные «главной» функции:
Теперь находим «иксовые» производные «вкладышей»:
и записываем итоговую «иксовую» производную:
Аналогично с «игреком»:
и
Можно придерживаться и другого стиля – сразу найти все «хвосты» и потом записать обе производные.
Ответ
:
О подстановке что-то как-то совсем не думается =) =), а вот причесать результаты немножко можно. Хотя, опять же, зачем? – только усложните проверку преподавателю.
Если потребуется, то полный дифференциал
тут записывается по обычной формуле, и, кстати, как раз на данном шаге становится уместной лёгкая косметика:
Такой вот... ....гроб на колёсиках.
Ввиду популярности рассматриваемой разновидности сложной функции пара заданий для самостоятельного решения. Более простой пример в «полуобщем» виде – на понимание самой формулы;-):
Пример 5
Найти частные производные функции , где
И посложнее – с подключением техники дифференцирования:
Пример 6
Найти полный дифференциал функции , где
Нет, я вовсе не пытаюсь «отправить вас на дно» – все примеры взяты из реальных работ, и «в открытом море» вам могут попасться какие угодно буквы. В любом случае потребуется проанализировать функцию (ответив на 2 вопроса – см. выше) , представить её в общем виде и аккуратно модифицировать формулы частных производных. Возможно, сейчас немного попутаетесь, но зато поймёте сам принцип их конструирования! Ибо настоящие задачи только начинаются:)))
Пример 7
Найти частные производные и составить полный дифференциал сложной функции
, где
Решение
: «главная» функция имеет вид и по-прежнему зависит от двух переменных – «икса» и «игрека». Но по сравнению с Примером 4, добавилась ещё одна вложенная функция, и поэтому формулы частных производных тоже удлиняются. Как и в том примере, для лучшего вИдения закономерности, я выделю «главные» частные производные различными цветами:
И снова – внимательно изучите запись сверху вниз и слева направо.
Так как задача сформулирована в «полуобщем» виде, то все наши труды, по существу, ограничиваются нахождением частных производных вложенных функций:
Справится первоклассник:
И даже полный дифференциал получился вполне себе симпатичный:
Я специально не стал предлагать вам какую-то конкретную функцию – чтобы лишние нагромождения не помешали хорошо разобраться в принципиальной схеме задачи.
Ответ
:
Довольно часто можно встретить «разнокалиберные» вложения, например:
Здесь «главная» функция хоть и имеет вид , но всё равно зависит и от «икс», и от «игрек». Поэтому работают те же самые формулы – просто некоторые частные производные будут равны нулю. Причём, это справедливо и для функций вроде , у которых каждый «вкладыш» зависит от какой-то одной переменной.
Похожая ситуация имеет место и в двух заключительных примерах урока:
Пример 8
Найти полный дифференциал сложной функции в точке
Решение
: условие сформулировано «бюджетным» образом, и мы должны сами обозначить вложенные функции. По-моему, неплохой вариант:
Во «вкладышах» присутствуют (ВНИМАНИЕ!
) ТРИ буквы – старые-добрые «икс-игрек-зет», а значит, «главная» функция фактически зависит от трёх переменных. Её можно формально переписать в виде , и частные производные в этом случае определяются следующими формулами:
Сканируем, вникаем, улавливаем….
В нашей задаче:
ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ
1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Пусть: z - переменная величина с областью изменения R; R- числовая прямая; D - область на координатной плоскости R2.
Любое отображение D->R называют функцией двух переменных с областью определения D и пишут z = f(x;y).
Другими словами:
Если каждой паре (х; у) двух независимых переменных из области D по некоторому правилу ставится в соответствие одно определенное значение z из R, то переменную величину z называют функцией двух независимых переменных х и у с областью определения D и пишут
http://pandia.ru/text/78/481/images/image002_44.jpg" width="215" height="32 src=">
П р и м е р 1.
http://pandia.ru/text/78/481/images/image005_28.jpg" width="157" height="29 src=">
http://pandia.ru/text/78/481/images/image007_16.jpg" align="left" width="110" height="89">
Область определения – есть часть плоскости, лежащая внутри круга радиуса г = 3 , с центром в начале координат, см. рисунок.
П р и м е р 3. Найти и изобразить область определения функции
http://pandia.ru/text/78/481/images/image009_11.jpg" width="86" height="32 src=">
http://pandia.ru/text/78/481/images/image011_10.jpg" width="147" height="30 src=">
2.ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ФУНКЦИИ ДВУХ
ПЕРЕМЕННЫХ
2.1.График функции двух переменных
Рассмотрим в пространстве прямоугольную систему координат и область D на плоскости хОу. В каждой точке М(х;у) из этой области восстановим перпендикуляр к плоскости хОу и отложим на нем значение z = f(x; у). Геометрическое место полученных точек
http://pandia.ru/text/78/481/images/image013_10.jpg" width="106" height="23 src=">
http://pandia.ru/text/78/481/images/image015_6.jpg" width="159" height="23 src=">
Это окружности с центром в начале координат, радиусом R = C1/2 и уравнением
x2 + y2 = R2, см. рисунок.
Линии уровня позволяют представить рассматриваемую поверхность, дающую в сечении плоскостями z = C концентрические окружности.
http://pandia.ru/text/78/481/images/image017_16.gif" width="88" height="29"> и найти .
Решение. Воспользуемся методом сечений.
http://pandia.ru/text/78/481/images/image020_11.gif" width="184 height=60" height="60">– в плоскости – парабола.
– в плоскости –парабола.
http://pandia.ru/text/78/481/images/image025_5.gif" width="43" height="24 src=">– окружность.
Искомая поверхность – параболоид вращения.
Расстоянием между двумя произвольными точками и (евклидова) пространства называется число
http://pandia.ru/text/78/481/images/image030_5.gif" width="153 height=24" height="24"> называется открытым кругом радиуса с центром в точке r.
Открытый круг радиуса ε с центром в точке A называется - ε - окрестностью точки А.
3адание
Найти и изобразить графически область определения функции:
Построить линии уровня функций:
3. ПРЕДЕЛ ФУНКЦИИ ДВУХ ПЕРЕМЕННЫХ
Основные понятия математического анализа, введенные для функции одной переменной, распространяются и на функции нескольких переменных.
О п р е д е л е н и е:
Постоянное число А называется пределом функции двух переменных z = f(x;у) при х -> х0, у -> у0, если для любого
ε >0 существует δ >0 такое, что |f(х; у) - А| < ε , как только
|x - x0| < δ и |у – у0| < δ.
Этот факт обозначается так:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image042_2.jpg" width="160" height="39 src=">
http://pandia.ru/text/78/481/images/image044_2.gif" width="20" height="25 src=">. Для функции двух переменных стремление к предельной точке на плоскости может происходить по бесконечному числу направлений (и необязательно по прямой), и потому требование существования предела у функции двух (или нескольких) переменных «жестче» по сравнению с функцией одной переменной.
П р и м е р 1. Найти .
Решение. Пусть стремление к предельной точке http://pandia.ru/text/78/481/images/image048_2.gif" width="55 height=24" height="24">. Тогда
http://pandia.ru/text/78/481/images/image050_2.gif" width="72 height=48" height="48"> зависит от .
П р и м е р 2. Найти .
Решение. По любой прямой предел один и тот же:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image054_2.gif" width="57" height="29">. Тогда
http://pandia.ru/text/78/481/images/image056_1.gif" width="64" height="21">, (остальное – по аналогии).
О п р е д е л е н и е. Число называют пределом функции при и , если для такое, что из неравенств и следует неравенство . Этот факт коротко записывают так:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image065_1.gif" width="124" height="48">.gif" width="236" height="48 src=">;
http://pandia.ru/text/78/481/images/image069_1.gif" width="247" height="60 src=">,
где предельная точка http://pandia.ru/text/78/481/images/image070_1.gif" width="85" height="24 src="> с областью определения и пусть – предельная точка множества , т. е точка, к которой стремятся аргументы х и у .
О п р е д е л е н и е 1. Говорят, что функция непрерывна в точке, если:
1) ;
2) , т. е. .
Сформулируем определение непрерывности в эквивалентной форме..gif" width="89" height="25 src=">.gif" width="85 height=24" height="24">непрерывна в точке, если выполняется равенство
http://pandia.ru/text/78/481/images/image079_0.gif" width="16" height="20 src=">.gif" width="15 height=16" height="16"> придадим произвольное приращение . Функция получит частное приращение по х
http://pandia.ru/text/78/481/images/image084_0.gif" width="35" height="25 src="> является функцией одной переменной . Аналогично,
http://pandia.ru/text/78/481/images/image058_1.gif" width="85" height="24"> называется непрерывной в точке по переменной (по переменной ), если
http://pandia.ru/text/78/481/images/image087.gif" width="101" height="36">).
Теорема. Если функция определена в некоторой окрестности точки и непрерывна в этой точке, то она непрерывна в этой точке по каждой из переменных.
Обратное утверждение неверно.
П р и м е р. Докажем, что функция
непрерывна в точке http://pandia.ru/text/78/481/images/image081_0.gif" width="15 height=16" height="16">.gif" width="57" height="24"> в точке , соответствующее приращению http://pandia.ru/text/78/481/images/image081_0.gif" width="15" height="16 src=">:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image092_0.gif" width="99" height="36 src=">, а это означает, что непрерывна в точке по переменной .
Аналогично можно доказать непрерывность в точке по переменной .
Покажем, что предел не существует. Пусть точка стремиться к точке по прямой , проходящей через точку . Тогда получим
.
Таким образом, приближаясь к точке http://pandia.ru/text/78/481/images/image051_1.gif" width="15" height="20">, получаем разные предельные значения. Отсюда следует, что предел данной функции в точке не существует, а значит, функция http://pandia.ru/text/78/481/images/image097.jpg" width="351" height="48 src=">
Другие обозначения
http://pandia.ru/text/78/481/images/image099.jpg" width="389" height="55 src=">
Другие обозначения
http://pandia.ru/text/78/481/images/image101_0.gif" width="60" height="28 src=">.
Решение . Имеем:
,
П р и м е р 2.
http://pandia.ru/text/78/481/images/image105.jpg" width="411" height="51 src=">
П р и м е р 3. Найти частные производные функции
http://pandia.ru/text/78/481/images/image107.jpg" width="477" height="58 src=">
Пример 4. Найти частные производные функции
http://pandia.ru/text/78/481/images/image109.jpg" width="321" height="54 src=">
5.2. Дифференциалы первого порядка функции двух переменных
Частные дифференциалы функции z = f(x, у) по переменным х и у определяются, соответственно по формулам х(x;y) и f"у{x;y) существуют в точке (х0;у0) и в некоторой ее окрестности и непрерывны в этой точке, то по аналогии с функцией одной переменной устанавливается формула для полного приращения функции двух переменных
http://pandia.ru/text/78/481/images/image112_0.gif" width="364" height="57 src=">
где http://pandia.ru/text/78/481/images/image114_0.gif" width="154" height="39 src=">
Другими словами, функция z = f(x, y) дифференцируема в точке, (х, у), если ее приращение Δz эквивалентно функции:
Выражение
http://pandia.ru/text/78/481/images/image116.jpg" width="192" height="57 src=">
С учетом того, что Δх = dx, Δy=dy:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image090_0.gif" width="57" height="24 src="> дифференцируема в точке , то она непрерывна в этой точке.
Обратное утверждение неверно, т. е. непрерывность является только необходимым, но не достаточным условием дифференцируемости функции. Покажем это.
П р и м е р. Найдем частные производные функции http://pandia.ru/text/78/481/images/image120.gif" width="253" height="57 src=">.
Полученные формулы теряют смысл в точке http://pandia.ru/text/78/481/images/image121.gif" width="147" height="33 src="> не имеет частных производных в точке . В самом деле, . Эта функция одной переменной , как известно, не имеет производной в точке http://pandia.ru/text/78/481/images/image124.gif" width="25" height="48"> в точке не существует. Аналогично, не существует частная производная . При этом функция , очевидно, непрерывна в точке .
Итак, мы показали, что непрерывная функция может не иметь частных производных. Осталось установить связь между дифференцируемостью и существованием частных производных.
5.4. Связь между дифференцируемостью и существованием частных производных.
Теорема 1. Необходимое условие дифференцируемости.
Если функция z = f(x, y) дифференцируема в точке M(x, y), то она имеет в точке M частные производные по каждой переменной и .
Обратная теорема не верна, т. е. существование частных производных является необходимым, но не является достаточным условием дифференцируемости функции.
Теорема 2. Достаточное условие дифференцируемости. Если функция z = f(x, y) имеет непрерывные частные производные и в точке , то она дифференцируема в точке (и ее полный дифференциал в этой точке выражается формулой http://pandia.ru/text/78/481/images/image130.gif" width="101 height=29" height="29">
Пример 2. Вычислить 3,021,97
3адание
Вычислить приближенно при помощи дифференциала:
5.6. Правила дифференцирования сложных и неявных функций. Полная производная.
Случай 1.
z=f(u, v); u=φ(x, y), v=ψ(x, y)
Функции u и v непрерывные функции от аргументов х, у.
Таким образом, функция z есть сложная функция от аргументов х и у: z=f(φ(x, y),ψ(x, y))
Предположим, что функции f(u, v), φ(x, y), ψ(x, y) имеют непрерывные частные производные по всем своим аргументам.
Поставим задачу вычислить http://pandia.ru/text/78/481/images/image140.gif" width="23" height="44 src=">.
Дадим аргументу x приращение Δx, фиксируя значение аргумента y. Тогда функции двух переменных u= φ(x, y) и
v= φ(x, y) получат частные приращения Δxu и Δxv. Следовательно, z=f(u, v) получит полное приращение, определяемое в п.5.2 (дифференциалы первого порядка функции двух переменных):
http://pandia.ru/text/78/481/images/image142.gif" width="293" height="43 src=">
Если xu→ 0, то Δxu → 0 и Δxv → 0 (в силу непрерывности функций u и v). Переходя к пределу при Δx→ 0, получим:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image144.gif" width="147" height="44 src="> (*)
П р и м е р.
Z=ln(u2+v), u=ex+y ² , v=x2 + y;
http://pandia.ru/text/78/481/images/image146.gif" width="81" height="41 src=">.
http://pandia.ru/text/78/481/images/image148.gif" width="97" height="44 src=">.gif" width="45" height="44 src=">.
Тогда по формуле (*) получим:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image152.gif" width="219" height="44 src=">.
Для получения окончательного результата в две последние формулы вместо u и v необходимо подставить еx+y² и x2+y, соответственно.
Случай 2.
Функции х и у непрерывные функции.
Таким образом, функция z=f(x, у) зависит через посредство х и у от одной независимой переменной t, т. е. допустим, что х и у суть не независимые переменные, но функции независимой переменной t, и определим производную http://pandia.ru/text/78/481/images/image155.gif" width="235" height="44 src=">
Разделим обе части этого равенства на Δt:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image157.gif" width="145" height="44 src="> (**)
Случай 3.
Предположим, теперь, что роль независимой переменной t играет переменная х, т. е. что функция z=f(x, у) зависит от независимой переменной х как непосредственно, так и через посредство переменной у, которая является непрерывной функцией от х.
Принимая во внимание, что http://pandia.ru/text/78/481/images/image160.gif" width="120" height="44 src="> (***)
Производная x(x, у)=http://pandia.ru/text/78/481/images/image162.gif" width="27" height="27 src=">, y=sin x.
Находим частные производные
http://pandia.ru/text/78/481/images/image164.gif" width="72" height="48 src=">.gif" width="383" height="48 src=">
Доказанное правило дифференцирования сложных функций применяется для нахождения производной, неявной функции.
Производная от функции, заданной неявно.
Положим, что уравнение
определяет у как неявную функцию от х, имеющую производную
у’ = φ’(x)_
Подставляя у = φ (х) в уравнение F(x, y) = 0, мы должны были бы получить тождество 0 = 0, так как у = φ(х) есть решение этого уравнения. Мы видим, таким образом, что постоянную нуль можно рассматривать как сложную функцию от х, которая зависит от х как непосредственно, так и через посредство у =φ(х).
Производная по х от этой постоянной должна равняться нулю; применяя правило (***), получим
F’x(x, y) + F’y(x, y)·y’ = 0,
http://pandia.ru/text/78/481/images/image168.gif" width="64" height="41 src=">
Следовательно,
http://pandia.ru/text/78/481/images/image171.gif" width="20" height="24"> справедливо как для одной, так и для другой функции.
5.7. Полный дифференциал первого порядка. Инвариантность формы дифференциала первого порядка
Подставим выражения для http://pandia.ru/text/78/481/images/image173.gif" width="23" height="41 src="> определенные равенствами (*) (см. случай 1 в п.5.6 «Правила дифференцирования сложных и неявных функций. Полная производная») в формулу полного дифференциала
Gif" width="33" height="19 src=">.gif" width="33" height="19 src=">.gif" width="140" height="44 src=">
Тогда формула полного дифференциала первого порядка функции двух переменных имеет вид
http://pandia.ru/text/78/481/images/image180.gif" width="139" height="41 src=">
Сравнивая последнее равенство с формулой для первого дифференциала функции двух независимых переменных, можем сказать, что выражение полного дифференциала первого порядка функции нескольких переменных имеет тот же вид, которое он имел бы, если бы u и v были бы независимыми переменными.
Иначе говоря, форма первого дифференциала инвариантна, то есть не зависит от того, являются ли переменные u и v независимыми переменными, или зависят от других переменных.
П р и м е р.
Найти полный дифференциал первого порядка сложной функции
z=u2v3, u=x2·sin y , v=x3·ey.
Р е ш е н и е. По формуле для полного дифференциала первого порядка имеем
dz = 2uv3·du+3u2v2·dv =
2uv3·(2x·siny ·dx+x2·cosy ·dy)+3u2v2·(3x2·ey·dx+x3·ey·dy).
Это выражение можно переписать так
dz=(2uv3·2x·siny+3u2v2·3x2·ey)·dx+(2uv3x2·cosy+3u2v2x3·ey)·dy=
Свойство инвариантности дифференциала позволяет распространить правило нахождения дифференциала суммы, произведения и частного на случай функции от нескольких переменных:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image183.jpg" width="409" height="46 src=">
http://pandia.ru/text/78/481/images/image185.gif" width="60" height="41 src=">. Эта
функция будет однородной третьей степени при всех вещественных х, у и t. Такой же функцией будет и любой однородный многочлен от х и у третьей степени, т. е. такой многочлен, в каждом члене которого сумма показателей хну равна трем:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image187.jpg" width="229" height="47 src=">
суть однородные функции степеней соответственно 1, 0 и (- 1)..jpg" width="36" height="15">. Действительно,
http://pandia.ru/text/78/481/images/image191.jpg" width="363" height="29 src=">
Полагая t=1, находим
http://pandia.ru/text/78/481/images/image193.jpg" width="95" height="22 src=">
Частные производные http://pandia.ru/text/78/481/images/image195.jpg" width="77" height="30 src=">), вообще го-
воря, являются функциями переменных х и у. Поэтому от них можно снова находить частные производные. Следовательно, частных производных второго порядка от функции двух переменных четыре, так как каждую из функций и можно дифференцировать как по х, так и по у.
Вторые частные производные обозначают так:
есть производная n - го порядка; здесь функция z сначала р раз дифференцировалась по х, а потом n - р раз по у.
Для функции любого числа переменных частные производите высших порядков определяются аналогично.
П р и м е р 1. Вычислить частные производные второго порядка от функции
http://pandia.ru/text/78/481/images/image209.jpg" width="600" height="87 src=">
П р и м е р 2. Вычислить и http://pandia.ru/text/78/481/images/image212.jpg" width="520" height="97 src=">
П р и м е р 3. Вычислить , если
http://pandia.ru/text/78/481/images/image215.jpg" width="129" height="36 src=">
x, f"y, f"xy и f"yx определены и непрерывны в точке М(х, у) и в некоторой ее окрестности, то в этой точке
http://pandia.ru/text/78/481/images/image218.jpg" width="50 height=28" height="28">.jpg" width="523" height="128 src=">
Следовательно,
http://pandia.ru/text/78/481/images/image222.jpg" width="130" height="30 src=">
Решение.
Смешанные производные равны.
5.10. Дифференциалы высших порядков функции n переменных .
Полный дифференциал du функции от нескольких переменных есть в свою очередь функция тех же переменных, и мы можем определить полный дифференциал этой последней функции. Таким образом, мы получим дифференциал второго порядка d2u первоначальной функции и, который также будет функцией тех же переменных, а его полный дифференциал приведет нас к дифференциалу третьего порядка d3u первоначальной функции и т. д.
Рассмотрим подробнее случай функции u=f(x, у) двух переменных х и у и будем предполагать, что переменные х и у суть независимые переменные. По определению
http://pandia.ru/text/78/481/images/image230.jpg" width="463" height="186 src=">
Вычисляя точно так же d3u, мы получим
http://pandia.ru/text/78/481/images/image232.jpg" width="347" height="61 src="> (*)-
причем формулу эту надо понимать так: сумму, стоящую в круглых скобках, надо возвести в степень n, применяя Формулу бинома Ньютона, после чего показатели степеней у и http://pandia.ru/text/78/481/images/image235.jpg" width="22" height="21 src=">.gif" width="22" height="27"> с направляющими косинусами cos α, cos β (α + β = 90°). На векторе рассмотрим точку М1(х + Δх; у + Δу). При переходе от точки М к точке М1 функция z = f(x; у) получит полное приращение
http://pandia.ru/text/78/481/images/image239.jpg" width="133 height=27" height="27"> стремящемся к нулю (см. рис.).
http://pandia.ru/text/78/481/images/image241.jpg" width="324" height="54 src=">
где http://pandia.ru/text/78/481/images/image243.gif" width="76" height="41 src=">, а потому получаем:
http://pandia.ru/text/78/481/images/image245.gif" width="24" height="41 src="> при Δs->0 называется произ-
водной функции z = f(х; у) в точке (х; у) по направлению вектора и обозначается
http://pandia.ru/text/78/481/images/image247.jpg" width="227" height="51 src="> (*)
Таким образом, зная частные производные функции
z = f(x; у) можно найти производную этой функции по любому направлению, а каждая частная производная является частным случаем производной по направлению.
П р и м е р. Найти производную функции
http://pandia.ru/text/78/481/images/image249.jpg" width="287" height="56 src=">
http://pandia.ru/text/78/481/images/image251.jpg" width="227" height="59 src=">
http://pandia.ru/text/78/481/images/image253.gif" width="253 height=62" height="62">
Следовательно, функция z = f(x;y) в данном направлении возрастает.
5. 12 . Градиент
Градиентом функции z = f(x; у) называется вектор , координатами которого являются соответствующие частные производные данной функции
http://pandia.ru/text/78/481/images/image256.jpg" width="205" height="56 src=">
т. е..jpg" width="89" height="33 src=">
в точке М(3;4).
Р е ш е н и е.
http://pandia.ru/text/78/481/images/image259.jpg" width="213" height="56 src=">
При изучении многих закономерностей в естествознании и экономике приходится встречаться с функциями от двух (и более) независимых переменных.
Определение (для функции двух переменных). Пусть X , Y и Z - множества. Если каждой паре (x , y ) элементов из множеств соответственно X и Y в силу некоторого закона f ставится в соответствие один и только один элемент z из множества Z , то говорят, что задана функция двух переменных z = f (x , y ) .
В общем случае область определения функции двух переменных геометрически может быть представлена некоторым множеством точек (x ; y ) плоскости xOy .
Основные определения, относящиеся к функциям нескольких переменных, являются обобщением соответствующих определений для функции одной переменной .
Множество D называется областью определения функции z , а множество E – множеством её значений . Переменные x и y по отношению к функции z называются её аргументами. Переменная z называется зависимой переменной.
Частным значениям аргументов
соответствует частное значение функции
Если функция нескольких переменных (например, двух переменных) задана формулой z = f (x , y ) , то областью её определения является множество всех таких точек плоскости x0y , для которых выражение f (x , y ) имеет смысл и принимает действительные значения . Общие правила для области определения функции нескольких переменных выводятся из общих правил для области определения функции одной переменной . Отличие в том, что для функции двух переменных областью определения является некоторое множество точек плоскости, а не прямой, как для функции одной переменной. Для функции трёх переменных областью определения является соответствующее множество точек трёхмерного пространства, а для функции n переменных - соответствующее множество точек абстрактного n -мерного пространства.
В случае, когда функция двух переменных задана формулой и n - натуральное число :
если n - чётное число, то областью определения функции является множество точек плоскости, соответствующих всем значениями подкоренного выражения, которые больше или равны нулю, то есть
если n - нечётное число, то областью определения функции является множество любых значений , то есть вся плоскость x0y .
:
если a - положительное, то областью определения функции является вся плоскость x0y ;
если a - отрицательное, то областью определения функции является множество значений , отличных от нуля: .
В случае, когда функция задана формулой :
если - положительное, то областью определения функции является множество тех точек плоскости, в которых принимает значения большие или равное нулю: ;
если - отрицательное, то областью определения функции является множество тех точек плоскости, в которых принимает значения, большие нуля: .
Логарифмическая функция двух переменных определена при условии, если её аргумент положителен, то есть, областью её определения является множество тех точек плоскости, в которых принимает значения, большие нуля: .
Область определения функции - вся плоскость x0y .
Область определения функции - вся плоскость x0y .
Область определения функции - вся плоскость x0y
Область определения функции - вся плоскость x0y , кроме пар чисел, для которых принимает значения .
Область определения функции .
Область определения функции - множество таких точек плоскости, для которых .
Область определения функции - вся плоскость x0y .
Область определения функции - вся плоскость x0y .
Если функция задана формулой , то областью определения функции являются все точки плоскости, в которых .
Если функция задана формулой вида z = ax + by + c , то область определения функции - вся плоскость x0y .
Пример 1.
Решение. По правилам для области определения составляем двойное неравенство
Умножаем всё неравенство на и получаем
Полученное выражение и задаёт область определения данной функции двух переменных.
Пример 2. Найти область определения функции двух переменных .
Функции нескольких переменных. Геометрическое изображение функции двух переменных. Линии и поверхности уровня. Предел и непрерывность функции нескольких переменных, их свойства. Частные производные, их свойства и геометрический смысл.
Определение 1.1. Переменная z (с областью изменения Z )называется функцией двух независимых переменных х,у в множестве М , если каждой паре (х,у ) из множества М z из Z.
Определение 1.2. Множество М , в котором заданы переменные х,у, называется областью определения функции , а сами х,у – ее аргументами .
Обозначения: z = f(x,y), z = z(x,y).
Замечание. Так как пару чисел (х,у ) можно считать координатами некоторой точки на плоскости, будем впоследствии использовать термин «точка» для пары аргументов функции двух переменных, а также для упорядоченного набора чисел , являющихся аргументами функции нескольких переменных.
Определение 1.3. . Переменная z (с областью изменения Z )называется функцией нескольких независимых переменных в множестве М , если каждому набору чисел из множества М по некоторому правилу или закону ставится в соответствие одно определенное значение z из Z. Понятия аргументов и области определения вводятся так же, как для функции двух переменных.
Обозначения: z = f , z = z .
Геометрическое изображение функции двух переменных.
Рассмотрим функцию z = f(x,y) , (1.1)
Определенную в некоторой области М на плоскости Оху . Тогда множество точек трехмерного пространства с координатами (x,y,z) , где , является графиком функции двух переменных. Поскольку уравнение (1.1) определяет некоторую поверхность в трехмерном пространстве, она и будет геометрическим изображением рассматриваемой функции.
z = f(x,y)
Примерами могут служить изучаемые в предыдущем семестре уравнения плоскости
z = ax + by + c
и поверхностей второго порядка:
z = x ² + y ² (параболоид вращения),
(конус) и т.д.
Замечание. Для функции трех и более переменных будем пользоваться термином «поверхность в n -мерном пространстве», хотя изобразить подобную поверхность невозможно.
Линии и поверхности уровня.
Для функции двух переменных, заданной уравнением (1.1), можно рассмотреть множество точек (х,у) плоскости Оху , для которых z принимает одно и то же постоянное значение, то есть z = const. Эти точки образуют на плоскости линию, называемую линией уровня .
Найдем линии уровня для поверхности z = 4 – x ² - y ². Их уравнения имеют вид x ² + y ² = 4 – c (c =const) – уравнения концентрических окружностей с центром в начале координат и с радиусами . Например, при с =0 получаем окружность x ² + y ² = 4 .
Для функции трех переменных u = u (x, y, z) уравнение u (x, y, z) = c определяет поверхность в трехмерном пространстве, которую называют поверхностью уровня .
Для функции u = 3x + 5y – 7z –12 поверхностями уровня будет семейство параллельных плоскостей, задаваемых уравнениями 3x + 5y – 7z –12 + с = 0.