Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
rsu594.pdf
Скачиваний:
129
Добавлен:
23.03.2015
Размер:
2 Мб
Скачать
☆

Глава 1

32

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

λ(∆x,∆y) =

∂f (a +θ ∆x,b + ∆y) − ∂f

(a,b),

 

∂x

1

∂x

 

 

 

 

µ(∆y) = ∂fy (a,b +θ2∆y) − ∂fy (a,b),

∂∂

Всилу непрерывности частных производных ∂∂fx (x, y) и ∂∂fy (x, y) в точ-

ке c, имеют место равенства

lim λ(∆x,∆y) = 0,

lim µ(∆y) = 0.

∆x→0,

∆x→0

∆y→0

 

Тогда из равенства ( ) находим:

 

∆f (a,b) = ∂∂fx (a,b) ∆x + ∂∂fy (a,b) ∆y + (λ(∆x,∆y) ∆x + µ(∆y) ∆y) = = ∂∂fx (a,b) ∆x + ∂∂fy (a,b) ∆y +ν(∆x,∆y),

где ν(∆x,∆y) = λ(∆x,∆y) ∆x + µ(∆y) ∆y .

Остается заметить, что lim ν(∆x,∆y) = 0 .

∆x→0, ∆y→0

Теорема доказана.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ. Функция f , определенная в некоторой области D

пространства n и имеющая в каждой точке области D частные производные (первого порядка) по всем переменным, непрерывные в области D, называется непрерывно дифференцируемой в области D .

7. Производная сложной функции

Предположим, что функция f определена и дифференцируема в не-

которой области D n , функции ϕ и ψ определены и дифференцируемы на некотором интервале I и для любой точки t I выполняется сле-

Глава 1

33

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

дующее соотношение: (ϕ(t),ψ (t)) D . Тогда на интервале I определена сложная функция u = f (ϕ(t),ψ (t)) . Покажем, что функция u =u(t) дифференцируема на интервале I , и найдем формулу для вычисления ее производной.

Выберем точку t I , зададим произвольное приращение ∆t переменной t , обозначим через ∆x и ∆y соответствующие приращения переменных x =ϕ(t), y =ψ (t) :

 

∆x =ϕ(t + ∆t) −ϕ(t) , ∆y =ψ(t + ∆t) −ψ (t).

 

В силу дифференцируемости функции

f , имеет место соотношение

 

∆u = f (x + ∆x, y + ∆y) − f (x, y) = A ∆x + B ∆y +α ∆x + β ∆y,

( )

где A = ∂f (x, y)

, B = ∂f (x, y) , α =α(∆x,∆y) , β = β(∆x,∆y) , причем α →0,

∂x

∂y

 

 

 

 

 

β →0 при ∆x ,

∆y →0 .

 

 

 

 

 

Тогда из соотношения ( ) находим:

 

 

 

 

 

∆u = A

∆x + B

∆y

+α ∆x

+ β ∆y .

 

 

∆t

∆t

∆t

∆t

∆t

 

Переходим в полученном соотношении к пределу при ∆t →0. Учтем, что при этом ∆x , ∆y →0 , поскольку дифференцируемые функции ϕ и ψ являются непрерывными в любой точке своей области определения. Отсюда следует, что α =α(∆x,∆y) →0, аналогично получаем, что β →0 . Учитывая указанные выше значения величин A и B , получаем окончательно:

dudt = ∂∂fx dxdt + ∂∂fy dydt ,

или в развернутом виде:

dtd f (ϕ(t),ψ (t)) = ∂∂fx (ϕ(t),ψ (t)) dϕdt(t)

+ ∂∂fy (ϕ(t),ψ (t)) dψdt(t) .

Мы нашли формулу для нахождения производной сложной функции.

Глава 1

34

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

Аналогично рассматривается случай, когда x и y являются функциями нескольких переменных.

Как и выше, будем предполагать, что функция f определена и диф-

ференцируема в некоторой области D 2 . Предположим, что функции ϕ и ψ определены и дифференцируемы в некоторой области G 2 и для любой точки (t,τ) G выполняется соотношение: (ϕ(t,τ),ψ(t,τ)) D . Тогда в области G определена сложная функция u = f (ϕ(t,τ),ψ(t,τ)). Можно доказать, что эта функция дифференцируема в любой точке (t,τ) G , и имеют место равенства

 

∂u

= ∂f

∂x +

∂f

∂y ,

∂u

= ∂f

 

 

∂x

+ ∂f

 

∂y

,

 

 

∂t

∂y

∂τ

 

∂τ

 

∂τ

 

 

∂x

∂t

∂t

∂x

 

∂y

 

 

 

или в развернутом виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂f (ϕ(t,τ),ψ(t,τ))

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

∂f (ϕ(t,τ),ψ (t,τ))

∂ϕ(t,τ)

+ ∂f (ϕ(t,τ),ψ(t,τ))

 

∂ψ(t,τ)

,

 

 

∂x

 

 

∂t

 

 

 

∂y

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

∂f (ϕ(t,τ),ψ(t,τ))

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂τ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

∂f (ϕ(t,τ),ψ (t,τ))

∂ϕ(t,τ)

+ ∂f (ϕ(t,τ),ψ(t,τ))

 

∂ψ(t,τ) .

 

 

∂x

 

 

∂τ

 

 

 

∂y

 

 

 

 

∂τ

 

Перейдем к примерам. В этих примерах предполагается, что рассматриваемые функции дифференцируемы, и сложная функция корректно определена.

1°. Рассмотрим функцию z = f (x, y) и выполним замену переменной y =ϕ(x) , то есть рассмотрим функцию одной переменной z = f (x,ϕ(x)) . Тогда имеем:

dxdz = ∂∂xz + ∂∂yz dydx .

Глава 1

35

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

Здесь учтено соотношение dxdx =1. Более аккуратно полученная формула записывается так

 

 

d

 

f (x,ϕ(x)) =

∂z

(x,ϕ(x)) + ∂z (x,ϕ(x)) dϕ(x) .

 

 

 

∂x

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

dx

2°. Предположим, что функция f определена и дифференцируема на

плоскости 2 . Перейдем к полярным координатам

 

 

 

 

 

 

 

 

x = r cosϕ,

y = r sinϕ ,

 

рассмотрим функцию

h(r,ϕ) = f (r cosϕ,r sinϕ)

и найдем частные произ-

водные функции h по r

и ϕ . Применяя формулу для производной слож-

ной функции, имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂h

= ∂f

 

∂x + ∂f

 

∂y

= cosϕ ∂f +sinϕ ∂f ,

 

 

∂r

∂x

 

∂r

∂y

 

∂r

∂x

∂y

 

 

∂h

= ∂f

 

∂x

+

∂f

 

 

∂y

 

= −r sinϕ ∂f

+ r cosϕ ∂f .

 

 

∂ϕ

∂x

 

∂ϕ

∂y

 

 

∂ϕ

∂x

∂y

8. Производные высших порядков

Предположим, что функция f определена в некоторой области

D 2 и в этой области определена одна из частных производный функции f . Эта производная также является функцией двух переменных. Если она имеет частную производную по одной из переменных в некоторой точке z0 = (x0, y0 ) D , то эта производная называется производной второго порядка в данной точке от исходной функции f . Используются следующие обозначения (разумеется, в предположении, что левая часть существует):

∂

∂f

 

∂2 f

 

∂2 f (x , y )

 

 

 

 

 

 

(x , y ) =

 

(x , y ) =

0 0

= f

xx

(x , y ),

 

 

 

 

0 0

∂x2

0 0

∂x2

 

0 0

∂x

∂x

 

 

 

 

 

Глава 1

36

Функции нескольких переменных

 

 

 

 

 

ç

 

 

 

è

 

 

 

 

 

 

∂

∂f

(x

, y

 

) = ∂2 f

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

∂x∂y

∂x

∂y

 

 

 

 

 

 

 

∂

∂f

(x

, y

 

) =

∂2 f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

∂y∂x

∂y

∂x

 

 

 

 

 

 

 

∂

∂f

(x

, y

 

 

) =

∂2 f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

∂y

 

 

∂ 2

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

(x0, y0 ) = ∂2 f∂(xx∂0y, y0 ) = fxy (x0, y0 ),

 

 

 

 

 

 

∂2 f (x , y

 

)

 

 

 

 

(x

, y

0

) =

 

 

0 0

 

 

= f

yx

(x , y ),

 

 

 

 

 

0

 

 

 

∂y∂x

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2 f (x

 

, y

)

 

 

 

 

 

(x

, y

 

) =

0

0

 

 

 

= f

yy

(x , y

).

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

∂y

2

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Производные

∂2 f

и

∂2 f

носят название смешанных. Можно привести

∂x∂y

∂y∂x

 

 

 

пример, когда обе эти производные в некоторой точке существуют, но принимают разные значения. Если наложить на функцию f некоторые дополнительные ограничения, то смешанные производные будут совпадать. Справедливо следующее утверждение, которое мы приводим без доказательства.

ТЕОРЕМА 10. Если смешанные производные

∂2 f

и

∂2 f

определены

∂x∂y

∂y∂x

 

 

 

в окрестности некоторой точки (x0, y0 ) и непрерывны в этой точке, то имеет место равенство ∂∂x2∂fy (x0, y0 ) = ∂∂y2∂fx (x0, y0 ) .

Аналогично определяются производные более высоких порядков, например, в случае функции двух переменных, можно определить производные

∂3 f

(x , y ),

∂3 f

(x , y ),

∂3 f

(x , y ),

 

 

∂3 f

(x , y ),

∂x3

∂x2∂y

∂y∂x2

 

∂x∂y∂x

 

0 0

 

0 0

0 0

 

0 0

∂3 f

(x , y ),

 

∂3 f

(x , y ),

 

∂3 f

(x , y

),

∂3 f

(x , y ).

∂x∂y2

 

∂y2∂x

 

∂y∂x∂y

∂y3

0 0

 

0 0

 

0 0

 

 

0 0

Производные, получаемые путем дифференцирования по нескольким переменным (в предыдущих формулах — все, кроме первой и последней), называются смешанными.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]