- •Глава 10. Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных
- •§10.1. Дифференцируемость функции многих переменных
- •10.1.1.Определение дифференцируемости функции многих переменных. Частные производные
- •10.1.2. Достаточное условие дифференцируемости функции нескольких переменных
- •10.3.2. Инвариантность формы первого дифференциала
- •§10.2. Дифференциал функции многих переменных и дифференциал отображения
- •10.2.1. Дифференциал функции многих переменных
- •10.2.2 Дифференциал отображения
- •§10.3. Производная сложной функции. Инвариантность формы первого дифференциала. Свойства матрицы Якоби
- •10.3.1. Производная сложной функции
- •10.3.3. Свойства матрицы Якоби. Якобиан
- •§10.4.Геометрические приложения
- •10.4.1. Касательная плоскость
- •10.4.2. Производная по направлению, градиент
- •§10.5.Производные и дифференциалы высших порядков
- •10.5.1. Производные высших порядков
- •10.5.2. Дифференциалы высших порядков
- •10.5.3.Второй дифференциал функции. Матрица Гессе
§10.5.Производные и дифференциалы высших порядков
10.5.1. Производные высших порядков
Если
функция
обладает в некоторой окрестности точки
частной
производной
по переменной
,
а эта частная
производная,
рассматриваемая как функция от
,в свою очередь
,пусть имеет частную производную по
переменной
в точке
,
которая
обозначается
.Эту
производную называют частной
производной второго порядка
, причём при
,еёназывают
смешанной
производной
второго порядка по переменным
.
Далее индуктивным образом можно определить частные производные более высокого порядка.
Возникает
вопрос,
зависит ли величина смешанной производной
по переменным
от порядка, в
котором рассматриваются переменные.
Например,
всегда ли
?
Ответ
на него такой: нет, не всегда! Можно
показать, что функция 
имеет
неравные производные
и
.
Однако имеет место следующая теорема.
Теорема
10.5.
Пусть
определена
в открытой области
и пусть в этой области существуют
.
Пусть
и
непрерывны в точке
.
Тогда в этой точке
![]()
►Пусть
числа
такие, что область
содержит
все точки из прямоугольника со сторонами
от
до
и от
до
.
Пусть
.
Положим
,
,
тогда
.
В
промежутке
,
по условию теоремы, функция
имеет производную
.
И,
значит,
непрерывна, причем по теореме Лагранжа

(вновь по теореме Лагранжа)
,
где
,
.
С другой стороны, аналогично, получаем
,
где
,
.
Следовательно,
устремляя
к
,
получаем, ввиду непрерывности
=
.◄
Замечание. По аналогии можно доказать следующую теорему.
Теорема
10.6.
Пусть
определена в открытой области
и имеет в этой области всевозможные
частные производные до
-го
порядка включительно и смешанные
производные
-го
порядка, причем все эти производные
непрерывны в
.
При этих условиях значение любой
-ой
смешанной производной не зависит от
того порядка, в котором производится
последовательное дифференцирование.
Например,
и т.п.
10.5.2. Дифференциалы высших порядков
Пусть
-
имеет непрерывные производные в области
.
Тогда
.
При
этом, если
- независимые
переменные, то
можно считать постоянными величинами,
не зависящими от
.
Поэтому
,
.
Пусть
имеет непрерывные частные производные
2-го порядка. Положим по определению
Здесь
мы воспользовались тем, что
.Например,
при![]()
,
(19)
при
.(20)
Приведённая формула
уже при
выглядит
громоздко.Облегчить
запоминание поможет формальная
операторная запись. Например, при
рассмотрим выражение
,
(21)
правая часть которого получается возведением в квадрат левой части при использовании обозначений
.Сравнивая выражения
(19) и (21) мы видим, что первое из них
получится из второго, если заменить в
(21) выражения
(22)
соответственно, выражениями
.
(23)
Отметим, что
выражения (23) получаются из (22) символическим
умножением на
.
Это позволяет нам, учитывая (19), (21), (22) и
(23) получить удобную для запоминания
операторную запись
.
(24)
В общем случае, используя формальную операторную запись, получаем
.
(25)
Аналогично,
полагая
,
находим:
.
(26)
В
предположении,
что для
существуют
частные производные до
- го порядка включительно.
Доказательство
этого утверждения можно провести
индукцией по
.
Мы не будем подробно останавливаться
на этом.
Отметим,
что если
(т.е. переменные
не независимые, а представляют собой
функции от других переменных), то , вообще
говоря,
они
не равны 0 и, хотя ввиду инвариантности
1-го дифференциала, формула
сохраняется, уже в формулах (19)
и (20)
(не говоря о (25)
и (26))
следует внести изменения.
Именно,
вместо (25)
в этом случае верна формула
(27).
«Добавок»
по отношению к (25)
получается, из-за того (см. вывод (19)),
что в нашем случае
.
Однако, если
(28),
то
и
.
Поэтому
в случае линейной замены переменных
(28)
формулы (25)
и (26)
сохраняются.
