- •§ 1. Пространство и его подмножества
- •§ 2. Функция n переменных, ее предел и непрервность
- •§ 3. Частные производные и дифференциал функции n, n2,
- •Обозначают введенную этим определением частную производную символами fх′(m0) или fх′(x0,y0) , а также
- •§ 4. Неявные функции.
- •§ 5. Свободный экстремум функции нескольких переменных
- •Пусть , а - любое, удовлетворяющее условиям . Взяв , удовлетворяющее указанным условиям, выберем для этого число такое, что и обозначим: . Имеем: , причём ;
- •§ 6. Условный экстремум
- •В силу инвариантности формы первого дифференциала имеем:
- •6. 3. Метод Лагранжа
- •Литература
- •§ 1. Пространство и его подмножества
- •Пространство …………………………. 3
- •§ 2. Функция n переменных, её предел и непрерывность
- •§ 3. Частные производные и дифференциалы
- •§ 4. Неявные функции
- •§ 5. Свободный экстремум функции нескольких переменных
- •§ 6. Условный экстремум
§ 2. Функция n переменных, ее предел и непрервность
-
Функция n переменных и ее график
Пусть
n
– некоторое натуральное число, а
- некоторое множество. Пусть сформулировано
правило f
, в силу
которого каждому элементу х
поставлено в соответствие единственное
вещественное число u.
Тогда гово- рят, что на множестве Х
определена
функция f
. Говорят
также, что на Х
опре- делена
функция f
(х)
или функция
u
= f(x).
В этих символах вместо вектора х
могут быть
записаны его координаты х1,х2,…,хn
: f
(х1,х2,…,хn)
. Тогда f
на- зывают
функцией
от n
переменных (аргументов)
х1,х2,…,хn.
Множество Х
называют
областью определения (задания) функции;
число u
называют
зна- чением функции в точке х
и обозначают через f
(х).
Одним
из средств наглядного представления
функции является ее график. Графиком
функции f,
заданной на множестве
,
называют мно- жество G
,
G
= { (x1,x2,
…,xn,xn+1)
| x
= (x1,x2,
…,xn)
,
xn+1=
f
(х)
}
График
функции, определенной на множестве,
лежащем в n
- мерном пространстве, т.е. функции n
переменных, расположен в пространстве,
раз- мерность которого на единицу выше.
При n
=1 введенные выше понятия уже знакомы
читателю. Это функция одной переиенной
f
(x)
, определенная на не- котором множестве
Х вещественных
чисел и ее график G
= { (x,y)|
x
X,
y=
f
(x)},
который представляет собой плоскую
линию с уравнением у
= f
(x)
(рис. 2а)).
При n
= 2 область определения Х
![]()
функции f
представлена на рис.2б)
фигурой, лежащей в плоскости ХОY
. Аргументы
функции обозначим






f
(x,y)
z=f(x,y)
f(x)
=
f(x)


y=f(x)







х х
х
у

Х M(x,y) Х х
х
E
а)
б)
в)
Рис. 2
через
х
и у
– это координаты точки М (х,у)
Х
. График
функции
f
(х,у)
представлен на рис. 2б
поверхностью, уравнение которой
z
= = f
(x,y).
При n
= 3 область определения Х
функции f
можно
изобразить на чертеже в виде некоторого
геометрического тела . Аргументы функции
обыч- но обозначают через х,у
и z
– это координаты точки, принадлежащей
Х. График
функции f
(x,y,z)
лежит в четы- рехмерном пространстве,
и потому не может быть изображен на
чертеже. Конечно, это относится и к
графикам функций бóльшего, чем 3,
количества переменных. Тем не менее при
n
≥3 полезным бывает чертеж 2в)
, на котором
горизонтальная координатная плоскость
условно представляет пространство
,
множество
определения Х
функции f
представлено
фигурой, лежащей в этой плоскости, а
график G
функции f
по аналогии
со
случаем n
= 2 пред- ставлен этом чертеже поверхностью,
уравнение которой xn+1=
f(x1,x2,…,xn).
2.2. Предел функции
Пусть
функция f
определена
на множестве
,
а точка х0
является предельной точкой этого
множества. Напомним, что х0
может
принадлежать, но может и не принадлежать
Х, так
что f
не обязательно определена в точке х0
.
Пусть А – вещественное число.
Определение 1. Вещественное число называют пределом функции f при х, стремящемся к х0 по множеству Х, если для любой последовательно- сти {xk} элементов множества Х , все члены которой отличны от х0 , и кото- рая сходится к х0 , соответствующая последовательность {f (xk)} значений функции сходится к А.
Если
А является пределом функции f
при х,
стремящемся к
х0
по мно-
жеству Х,
будем
записывать А =
или f
(x)
.
Таким образом, ра- венство А=
означает:
![]()
{xk}
(
N
xk
X,
xk
х0)
(
xk→
x0)
f
(xk)→
A
![]()
Пример
1. Пусть
Этим равенством f
определена
на всей плоскости ХОY
, за исключением
точек оси абсцисс, так что здесь Х=
={Р(x,y)|
y≠
0). Очевидно,
что всякая точка оси абсцисс является
предель- ной точкой для множества Х.
Покажем, что 1) А=0 является пределом
функ- ции f,
когда точка
Р(х,у)
стремится к началу координат О(0,0) по
множеству Х
и 2) функция
f
не имеет
предела, когда точка Р(х,у)
стремится по множе- ству Х
к любой
точке на оси абсцисс, отличной от начала
координат О .
1)
Пусть {Рk
(xk,yk)}
, где
k
N
yk
≠ 0, -
последовательность точек, сходящаяся
к началу координат О. Заметим:
k
N
(Рk
X)
(Рk→O).
В силу теоремы о покоординатной
сходимости хk→
0 и yk→
0. Имеем:
.
Последовательность {
хk}
– бесконечно малая, а последо- вательность
{
},
очевидно, ограничена; по теореме о
произведении бес- конечно малой
последовательности на ограниченную
([2],
п.3.4)
получаем :
.
Так как
{Рk
(xk,yk)}
– произвольная последовательность,
удов- летворяющая требованиям
k
N
Рk
Х
и Рk
→ О, указанным
в определении 1, то утверждение 1)
доказано.
2)
Пусть Р0
– некоторая точка оси абсцисс, отличная
от начала коорди- нат, т.е., Р0(х0
,0),
где х0
≠ 0. Рассмотрим
последовательности {
(xk,
)}
и {
(xk,
)},
где { хk}
– некоторая числовая последовательность,
сходящаяся к х0
.
Очевидно,
каждая из последовательностей {
k
} и {
}
сходится к Р0
и удовлетворяет
требованиям,
указанным в определении 1, при чем
соответствующие им последовательности
значений функции имеют раз- личные
пределы: f(
)
= хk
sin
kπ
→ 0 ; f(
)
= хk
sin(4k+1)
→ х0
≠ 0. Этого
достаточно для вывода: число А,
удовлетворяющее определению 1, не
существует.
Определение 1 высказано на языке последовательностей. Сформулируем эквивалентное определение на языке ″ε–δ″.
Пусть
функция f
определена
на множестве
,
а точка х0
является пре дельной точкой этого
множества.
Определение 2. Вещественное число А называют пределом функции f при х, стремящемся к х0 по множеству Х, если для любого положительного ε существует δ > 0 такое, что для всякого х, принадлежащего Х и удовлетворя- ющего условиям 0<ρ(х, х0) < δ, справедливо неравенство | f(х) – A | < ε .
Таким
образом, равенство А=
,
где А – число, означает:
х![]()
(
0< ρ(х,
х0)
< δ
| f(х)
– A
| < ε
)
Определения 1 и 2 аналогичны определениям предела функции одной переменной; доказательство эквивалентности определений 1 и 2 проводится аналогично одномерному случаю ([1], п. 20.2). Аналогичны одномерному случаю формулировки и доказательства теорем об основных свойствах пре- делов: о единственности предела, о стабилизации знака неравенства, о пре -дельном переходе в неравенстве, о ″сжатой″ функции, об арифметических действиях с пределами, о разности между функцией и числом ([2],п.п. 4.5, 4.6). В качестве примера приведем формулировку и доказательство теоремы о стабилизации знака неравенства.
Теорема.
Пусть А=
и пусть р
> A
(p
< A).
Тогда существует положительное δр
такое, что
при всяком х,
принадлежащем Х
и удовлетво-
ряющем условию 0< ρ(х,
х0)
< δр,
справедливо неравенство р
> f(х)
(f(х)
< <p).
► Доказательство проведем для случая р > A. Обозначим: ε = р-А . В силу определения 2 существует δ > 0 такое,что при всяком х , которое при – надлежит Х и удовлетворяет неравенствам 0< ρ(х, х0) < δ справедливо | f(х)- – A | < ε , т.е. – ε < f(х)- А < ε . Отсюда для указанных х получаем: f(х) < ε +А = р . Таким образом, δр существует: можно положить δр = δ .◄
В определении 2 А – вещественное число. Для А , равного +∞, - ∞ или ∞ , в определении 2 нужно лишь заменить неравенство | f(х) – A | < ε на f(х) > >ε , f(х) < - ε или | f(х)| > ε соответственно. Функции, удовлетворяющие та- ким условиям называют бесконечно большими при х, стремящемся к х0 по множеству Х.
Рассматриваемые
ниже функции чаще всего определены в
окрестности или в проколотой окрестности
точки х0
.
Окрестностью
точки х0
мы на- зываем любое открытое множество,
содержащее х0.
Обозначать
такое множе- ство будем символом
.
Проколотой окрестностью точки х0
назовем
вся -кую ее окрестность, из которой
удалена сама точка х0;
обозначать это множе- ство будем символом
:
= { х
|
х
х0}
. Заметим, что функция, определенная в
окрестности
,
определена в точке х0
; если же функция определена в проколотой
окрестности
,то
в точке х0
она может
быть определена, но может быть и нет.
Точка
х0
=
является предельной для множеств
и
.
Если функция f
определена
на одном из этих множеств, то ее предел
при х,
стремящемся к х0
по
или по
называют пределом функции f
в точке х0
и обозначают через
или через
.
2.3. Непрерывность функции в точке
Пусть
функция f
определена
на множестве
,
а х0
принадлежит Х
и
является
предельной точкой этого множества.
Определение
1. Будем
говорить, что функция f
непрерывна
в точке х0
по множеству Х,
если
=
f(х0)
, т.е. если (на языке последовательностей)
{xk}
(
N
xk
X)
(
xk→
x0)
f
(xk)→
f(х0)
![]()
или (на языке ″ε–δ″)
х![]()
(
ρ(х,
х0)
< δ
| f(х)
– f(х0)
| < ε )
Замечание. В отличие от определений 1 и 2 предыдущего пункта, в при- веденной выше записи на языке последовательностей отсутствует трeбование xk ≠ x0 , а в записи на языке ″ε–δ″ снято требование ρ(х, х0) > 0. Тем самым членам последовательности {xk} и точке х разрешено принимать значение x0 . Снятые требования здесь излишни, поскольку функция определена в x0 , а ее значение f(х0) является и ее пределом.
Определение
2. Будем
говорить, что функция f
непрерывна
в точке х0
, если она
определена в некоторой окрестности
и если
=
f(х0).
Пример
1.
. Этим равенством функция определена в
замкнутом единичном круге Х
=
.
Она непрерывна в каж -дой внутренней
точке этого круга. Действительно, пусть
Р0(х0,у0)
– внутрен- няя точка,т.е.
.
Найдется d
> 0 такое, что d
– окрестность
со- держится в Х
( d
< 1-
)
.
Пусть последовательность {Рk(xk,yk)}
тако- ва, что 1)
N
Рk
![]()
и 2) Рk
→ Р0.
Тогда xk
→ x0
и yk
→ y0
; поэтому
f
(Рk)
=
.
Так
как {Рk(xk,yk)}
– произвольная последовательность,
удовлетворяю- щая требованиям 1) и2), то
доказано равенство
=
f(Р0),
т.е. доказана непрерывность f
в любой
внутренней точке круга Х.
Что касается
его гра- ничных точек, т.е. точек единичной
окружности, то в каждой из них функция
непрерывна по множеству Х.
Доказательство
этого аналогично приведенному выше.
Пусть функция f
определена на некотором
множестве Х
, а точка х0
принадлежит Х.
Пусть h
= (h1,h2,
…,hn) –
вектор такой, что х0+
h
.
Раз- ность f (х0+
h) -
f(х0)
= f (х10+
h1,
x20
+h2,…,xn0+hn)
- f(х10,
x20
,…,xn0)
назовем приращением функции f
в точке х0.
Обозначать эту величину будем символами
Δ f
и Δ
(
h); второй из
них будем употреблять тогда, когда
желательно подчеркнуть, что приращение
функции само является функцией n
переменных h1,h2,
…,hn. Eсли
f
определена в некоторой окрестности
,
то ее приращение Δ
(
h) есть функция,
определенная в некоторой окрест- ности
точки 0=(0,0,
....,0), причём Δ
(
0) = 0.
Теорема
1. (О
приращении непрерывной функции)
Пусть
функция
определена в окрестности
точки
х0
,х0
.
Для того, чтобы функция
была непрерывной в точке х0,
необходимо и достаточно, чтобы ее
прираще- ние Δ
(
h) стремилось
к нулю при h→
0.
► Δ
(
h) = f
(х0+
h)
- f(х0)
= f (х)
- f(х0)
, где х =
х0+
h
. Заметим: (х
→ х0)
(h→
0). По теореме о разности между функцией
и числом (f
(х)
f(х0))
(f (х)
- f(х0)
0).
Таким образом, f
непрерывна
в х0
( т.е.f
(х)
f(х0))
тогда и только тогда, когда Δ
(
h)
0,
а это равносильно Δ
(
h)
0.
◄
Приведенная теорема и ее доказательство аналогичны формулировке и доказательству теоремы о приращении непрерывной функции одной пере - менной. Это же можно сказать и о следующих двух теоремах.
Теорема
2. (
О стабилизации знака непрерывной
функции). Пусть
функ- ция f
непрерывна в точке х0
.
Если f(х0)
≠ 0, то существует δ > 0 такое, что при
всяком х
![]()
(
δ) справедливо f
(х)
· f(х0)
> 0.
Теорема 3. (Об арифметических действиях с непрерывными функциями)
Пусть функции f
и g
непрерывны в точке
х0
.
Тогда их сумма f
+ g и произведение f
· g
непрерывны в х0
. Если g(х0)
≠ 0, то и их частное
есть непрерывная в точке х0
функция.
Пусть
n
функций φ1(t),
φ2(t),
…, φn(t)
определены на множестве Т
(n
и m
– некоторые натуральные числа). Обозначим:
хt
= (φ1(t),
φ2(t),
…, φn(t)),
X
= { хt|
t
T
}. Ясно, что
Х
.
Пусть на Х
определена
функция f.
Зададим на множестве Т
функцию F
:
t
T
F(t)
= f(хt)
= f(φ1(t),
φ2(t),
…, φn(t)
). Функцию F
называют
композицией или суперпозицией функций
f
и φ1,φ2,…,
φn;
F
называют также сложной функцией.
Теорема
4.
( О непрерывности
сложной функции)
Пусть
функции φ1(t),
φ2(t),
…, φn(t)
непрерывны в точке t0
,
а функция f
непрерывна в точке x0
=(x10,x20,
…,xn0),
где xi0
= φi(t0),
i
= 1,2,…,n.
Тогда сложная функция F(t)
= = f(φ1(t),
φ2(t),
…, φn(t)
) непрерывна в точке t0
.
►
Нужно
доказать два утверждения: 1) функция F
определена
в неко- торой окрестности точки t0
и
2)
t)
=F(t0).
1)
По условию f
непрерывна
в точке x0
. Это
означает, в частности, что она определена
в некоторой окрестности этой точки;
поэтому можно подобрать ε >0 так, чтобы
f была
определена в
(
ε ). При каждом i
= 1,2,…,n
функция φ
i
непрерывна
в t0
, значит,
для каждого i
найдется δ i
> 0 такое, что
t![]()
(
δ i
) выполняется | φ
i
(t
)- x
i
0| <
.
Обозначим через δ наи- меньшее из δ1,
δ2,….,
δn.
Если t![]()
(
δ) ,то справедливо каждое из неравенств
| φ i
(t
)- x
i
0| <
,
i
= 1,2,…,n;
поэтому || хt
-
x0||
=
=
=ε. Таким образом, при всех t![]()
(
δ) точка хt
содержится
в
(
ε ); поэтому F(t)
= f(хt)
определена в
(
δ).
2)
Пусть {tk}
– некоторая последовательность такая,
что а)
k
N
tk![]()
(
δ) и б) tk
→ t0.
Обозначим: xk
= (
φ1(tk),
φ2
(tk),…,
φn(tk)).
Функции φi
непрерывны
в точке t0,
поэтому φi(tk)
→ φi(t0)
= xi0
, i
= 1,2,…,n.
Значит, xk→
х0
и
так как f
непрерывна
в точке х0
,
то f(xk)
→ f
(x0).
Рассмотирим последо- вательность F(tk
). Имеем:
F(tk ) = f(φ1(t k), φ2(t k), …, φn(t k)) = f(xk) → f (x0) = F(t0 ).
Так
как {tk}
- произвольная последовательность,
удовлетворяющая условиям а) и б), то
равенство
t)
=F(t0)
доказано. ◄
2.4. Непрерывность функции на множестве
Определение 1. Будем говорить, что функция f непрерывна на множе- стве Х , если она определена на этом множестве и непрерывна по множеству Х в каждой предельной точке, принадлежащей Х.
Пример.
Функция
непрерывна
на замкнутом множе- стве Х
=
- этот факт был установлен в примере 1,
п. 2.3.
Справедливы теоремы, аналогичные теоремам Вейерштрасса о функци- ях одной переменной ( [2],п. 5.3).
Теорема
1. (Первая
теорема Вейерштрасса )
Если функция f
непре –рывна
на замкнутом ограниченном множестве
Х
,
то она ограничена на этом множестве,
т.е. существуют числа А и В , А < В, такие,
что при всех х
Х
А ≤ f(х)
≤ В.
Теорема
2 ( Вторая
теорема Вейерштрасса )
Функция f,
непрерывная
на замкнутом ограниченном множестве
Х
,
достигает на этом множестве своих точных
граней, т.е. в Х
существуют точки х
и х
такие,
что f(х
)
и f(х
)
являются соответственно точной нижней
и точной верхней гранями функции f
на множестве
Х.
Доказательства этих теорем можно найти в [1].
Теорема
3. ( Теорема
Коши о промежуточном значении)
Пусть функ- ция f
непрерывна
в области Х
,
х1
и х2
– две
точки, принадлежащие Х
, А = f(х1),
В = f(х2).
Если А ≠ В, то для любого числа С ,
заключенного между А и В в области Х
существует
точка ξС
такая, что
f(ξС)
= С.
► Пусть γ – непрерывнвя кривая, содержащаяся в Х и соединяющая х1 и х2 ( так как Х – область, такая γ существует, см. определение 1, п. 1.4), а
- параметрические уравнения этой кривой, причем х1 =( х1(α), х2(α ),…, хn(α )) , х2 = ( х1(β), х2(β ),…, хn(β )). На [α , β] зададим функцию F (t) = f( х1(t), х2(t ), …, хn(t )). Эта функция непрерывна на [α , β], так как является суперпозицией непрерывных функций, причем F (α) = f (х1) =А, F (β) = f (х2) =В. Пусть С заключено между А и В. По теореме Коши о промежуточном значении функции одной переменной ( [2],п. 5.3) на (α , β ) найдется τ такое, что F (τ ) = С. Положим ξС = ( х1(τ), х2(τ),…, хn(τ)) . Тогда f(ξС) = F(τ) = С. ◄
Определение
2. Будем
говорить, что функция f
равномерно
непрерывна на множестве Х
,
если для любого ε
> 0 существует δ > 0 такое, что для
любых двух элементов х′
и х″
множества
Х, удовлетворяющих
условию ||
х′ - х″||
< δ, справедливо неравенство | f
(х′)
- f
(х″)
| < ε
:
х′
х″
(|| х′ - х″||
< δ
| f
(х′)
- f
(х″)
| < ε).
Нетрудно показать, что если функция равномерно непрерывна на множестве, то она и непрерывна на нем. Обратное утверждение, вообще говоря, неверно: из непрерывности функции на множестве не вытекает ее равномерная непрерывность. Вместе с тем, справедлива теорема Кантора : если функция непрерывна на замкнутом ограниченном множестве, то она и равномерно непрерывна на нем. Доказательство см. [1].
