- •1.9. Функции нескольких переменных Для замечаний
- •1.9. Функции нескольких переменных.
- •1.9.1. Множества в евклидовом пространстве Rm
- •1.9.2. Последовательности точек из Rm.
- •1.9.3. Понятие функции нескольких переменных
- •1.9.4. Предел функции нескольких переменных
- •1.9.6.1. Частные производные функций нескольких переменных
- •1.9.5. Непрерывность функции нескольких переменных
- •1.8.9.1. Основные свойства непрерывных функций
- •1.9.6. Дифференцируемость функций нескольких переменных
- •1.9.6.2. Дифференцируемость функции нескольких переменных
- •1.9.6.3. Достаточное условие дифференцируемости
- •1.9.6.5. Дифференцирование сложной функции
- •1.9.6.6. Дифференциал функции нескольких переменных
- •1.9.6.7. Производная по направлению. Градиент
- •1.9.7. Частные производные и дифференциалы высших порядков функций нескольких переменных.
- •1.9.7.1. Частные производные высших порядков
- •1.9.7.2. Дифференциалы высших порядков
- •1.9.8. Формула Тейлора.
- •1.9.9. Неявные функции.
- •1.9.10. Экстремум функции нескольких переменных.
- •Достаточное условие экстремума функции нескольких переменных.
- •1.9.11. Условный экстремум функции нескольких переменных.
1.9.6.5. Дифференцирование сложной функции
Пусть функция u = f(x1, ..., xm) и система функций
определяют сложную функцию, тогда справедлива следующая
Теорема. Пусть функции i(t1,
..., tk) (i = 1, ..., m) дифференцируемы в
точке
,
а функция u = f(x1, ..., xm)
дифференцируема в соответствующей
точке
,
где
.
Тогда сложная функция
дифференцируема в точке А0. Для
частных производных в т. А0
справедливы следующие формулы:
в которых частные производные
берутся в точке М0, а частные
производные
берутся в точке А0.
Идея доказательства такая же, как и в одномерном случае.
В условие дифференцируемости внешней функции
подставляются не произвольные приращения
переменных x1,
..., xm, а
приращения функции
,
соответствующие приращениям аргументов
t1, ..., tk.
Эти приращения представимы в виде
(следует из условия дифференцируемости
функций
)
Выделяя затем линейную часть u относительно t1, ..., tk, мы получаем выражения для частных производных сложной функции.
Заметим, что в случае, когда х1, ..., хm зависят только от одной переменной t, производная по t сложной функции (обыкновенная) вычисляется по формуле
и если, кроме того, f зависит от одной
переменной х, то формула принимает вид:
,
т.е. совпадает с формулой для одномерного
случая.
Пример 1.
,
где x=cost, y=sint.
здесь вместо х и у надо поставить их выражения через t
.
Пример 2.
,
где x=sint. Вычислить
.
(Здесь
t и x считаются независимыми переменными)
(Здесь вместо х необходимо подставить его выражение через t)
Пример 3. z = x2 - y2 , где
x=t1t2,
y=t1 -
.
Вычислить
1.9.6.6. Дифференциал функции нескольких переменных
Дифференциал функции нескольких переменных определяется как линейная (относительно приращений аргументов) часть приращения дифференцируемой функции
,
где dxi xi (i=1, ..., m), если x1, ..., xm - независимые переменные.
Как и в случае одной переменной первый дифференциал обладает свойством инвариантности его формы, т.е. выражение для первого дифференциала имеет тот же вид и в случае, когда х1, ..., хm являются функциями некоторых переменных t1, ..., tk. Свойство инвариантности формы первого дифференциала позволяет установить следующие формулы
Например, для дифференциала произведения рассуждаем следующим образом. Рассмотрим функцию = uv двух переменных u, v. Дифференциал этой функции равен
но
следовательно,
d = vdu + udv.
Пример 1.
.
Найти полный дифференциал функции
Таким образом,
.
Пример 2.
,
где x=cost, y=t2. Вычислить дифференциал
сложной функции.
Воспользуемся инвариантностью формы первого дифференциала
.
Здесь
1.9.6.7. Производная по направлению. Градиент
Пусть задана функция двух переменных
u=f(x,y) (для большего числа переменных все
аналогично), которая определена в
окрестности т. (x0,y0) и
дифференцируема в этой точке. Мы будем
рассматривать нашу функцию на лучах,
проходящих через т. (x0,y0).
Луч задается начальной точкой и
направляющим единичным вектором
,
его параметрические уравнения имеют вид:
.
Подставляя эти выражения вместо
аргументов функции u=f(x,y), мы получим
функцию одной переменной u(t): u = f(x0 +
tcos,
y0 + tcos).
Если
существует, то эту производную
мы назовем производной функции u=f(x,y) в
точке (x0,y0) в направлении
вектора
(обозначение
).
Используя формулы для производных
сложной функции, получаем (для точки
t=0)
Е
сли
ввести в рассмотрение вектор
(обозначаемый gradu), то выражение для
производной в направлении вектора
можно записать в виде
или
Меняя направление вектора , мы будем получать различные значения . В частности:
1)
,
если
gradu ((
,gradu)
= 0).
2)
,
если
,
и это значение является наибольшим из
возможных ((
,gradu)
принимает наибольшее значение).
3)
,
если
((
,gradu)
принимает наименьшее значение).
Таким образом, gradu определяет направление, в котором скорость возрастания функции является наибольшей.
Пример 1. Найти производную функции z = x2y3 в точке (1,2) в направлении вектора, составляющего с положительным направлением оси Ох угол 450.
Координаты вектора
имеют вид
Пример 2. Найти grad(x2 - y) в точке (1,1) и вычислить производную функции в направлении градиента в этой точке
.
Производная функции в направлении градиента равна модулю градиента.
; где
.
В трехмерном случае
,
где cos, cos, cos - направляющие косинусы вектора .
Соответственно,
