- •Ответ №1
- •Ответ №2
- •Ответ №3
- •Ответ №5
- •Ответ №7
- •Ответ №9.
- •Ответ №10
- •Ответ№12
- •Ответ №13
- •Ответ №14
- •Ответ №16
- •Ответ №19
- •Ответ №20
- •Ответ №21
- •Ответ №22
- •Ответ №23
- •Ответ №24
- •Ответ №26
- •Ответ №27
- •Ответ №28
- •Ответ №29
- •Ответ №30
- •Ответ №32
- •Ответ №33
- •Ответ №34
- •Ответ №35
- •Ответ №36
- •Ответ №37
- •Ответ №38
- •Ответ №39
- •Ответ №40
Ответ №22
Частные производные функции нескольких переменных
Пусть
М(х1,
х2,
..., хm)
внутренняя точка области определения
функции u=f(x1,
..., xm).
Пусть
xk -
приращение k-ой координаты в данной
фиксированной т.М, ему соответствует
частное приращение функции
xku
f(x1,
..., xk-1,
xk +
xk,
xk+1,
..., xm)
- f(x1,
..., xm).
Рассмотрим
отношение
,
которое зависит от
xk и
определено при всех достаточно малых
xk,
отличных от нуля.
Определение
1. Если
существует
,
то он называется частной производной
функции u=f(x1,
..., xm)
в т. М(x1,
..., xm)
по аргументу xk и
обозначается одним из символов:
.
Таким образом,
.
Замечание. Так
как изменяется только xk +
xk,
т.е. k-я координата аргумента функции
f, то частная производная
является
обыкновенной производной функции f как
функции только k-й переменной (при
фиксированных остальных переменных).
Это позволяет вычислить частные
производные по одной из переменных по
обычным формулам дифференцирования,
если зафиксировать все остальные
переменные.
Пример 1. u = x2 + 3xy - y
вычисляем при
условии, что y = const
вычисляем при
условии, что x = const
Пример
2.
(при фиксированном у применима обычная теорема о производной сложной функции)
Аналогично
Выясним теперь, насколько полную информацию дают частные производные функции в данной точке о поведении функции в окрестности этой точки.
Сразу отметим, что частные производные в т.М0 могут дать информацию о поведении функции только на прямых, проходящих через т.М0 и параллельных координатным осям.
Конечно, этой информации совсем не достаточно, чтобы судить о поведении функции в целой окрестности т.М0 (и, в частности, на других лучах, проходящих через т.М0).
Пример
3. Функции
показывает,
что частные производные ее
(аналогично
)
существуют и обращаются в нуль не только в т. (0,0), но и всюду на координатных осях, а сама функция не имеет в т. (0,0) предела (см. тему 4). Заметим, что в одномерном случае из существования производной следовала непрерывность функции.
Таким образом, мы приходим к необходимости ввести более сильное условие, чем существование частных производных, чтобы оно было аналогом дифференцируемости функции одной переменной. Это условие должно быть связано с полным приращением функции в точке.
Градиент
Для
случая трёхмерного пространства
градиентом
скалярной функции
координат
,
,
называется
векторная функция с компонентами
,
,
.
Или,
использовав для единичных векторов по
осям прямоугольных декартовых
координат
:
Если
—
функция
переменных
,
то её градиентом называется
-мерный
вектор
компоненты которого равны частным производным по всем её аргументам.
Размерность вектора градиента определяется, таким образом, размерностью пространства (или многообразия), на котором задано скалярное поле, о градиенте которого идет речь.
Оператором
градиента (обозначаемым обычно, как
говорилось выше,
или
)
называется оператор, действие которого
на скалярную функцию (поле) дает ее
градиент. Этот оператор иногда коротко
называют просто "градиентом".
Смысл
градиента любой скалярной функции
в
том, что его скалярное произведение с
бесконечно малым вектором
перемещения
дает полный
дифференциал этой
функции при соответствующем изменении
координат в пространстве, на котором
определена
,
то есть линейную (в случае общего
положения она же главная) часть
изменения
при
смещении на
.
Применяя одну и ту же букву для обозначения
функции от вектора и соответствующей
функции от его координат, можно написать:
Стоит
здесь заметить, что поскольку формула
полного дифференциала не зависит от
вида координат
,
то есть от природы параметров x вообще,
то полученный дифференциал является
инвариантом, то есть скаляром, при любых
преобразованиях координат, а поскольку
—
это вектор, то градиент, вычисленный
обычным образом, оказывается ковариантным
вектором,
то есть вектором, представленным в
дуальном базисе, какой только и может
дать скаляр при простом суммировании
произведений координат обычного
(контравариантного),
то есть вектором, записанным в обычном
базисе. Таким образом, выражение (вообще
говоря — для произвольных криволинейных
координат) может быть вполне правильно
и инвариантно записано как:
или, опуская по правилу Эйнштейна знак суммы,
(в ортонормированном базисе мы можем писать все индексы нижними, как мы и делали выше). Однако градиент оказывается настоящим ковариантным вектором в любых криволинейных координатах.
