- •II семестр – весенний семестр 2003 года
- •Необходимое и достаточное условия интегрируемости
- •Классы интегрируемых функций
- •Интегралы как функции множества
- •Оценки интегралов
- •Интеграл как функция верхнего предела
- •Приложение определённого интеграла
- •Площади фигур
- •Условная сходимость
- •Ряды со знакопеременными членами
- •Действия над рядами
- •Функциональные ряды и последовательности
- •Признаки равномерной сходимости
- •Степенные ряды
- •Понятие о рядах Фурье
- •Функции нескольких переменных
- •Последовательности точек
- •Дифференцирование функций нескольких переменных
- •Производные и дифференциалы высших порядков
- •Зависимость функций
Дифференцирование функций нескольких переменных
Пусть на множестве A
пространства
задана функция
и пусть
– внутренняя точка для A.
Тогда
.
Предел
,
если он существует, называется частной
производной
по
в точке
.
Обозначение:
или
.
Пусть
– внутренняя точка для множества A,
на котором определена функция
.
Функция
называется дифференцируемой
в точке
,
если для любых достаточно малых
существуют числа
и бесконечно малые
при
и
.
Если
дифференцируема в точке
,
то
называется дифференциалом
в точке
.
Если дифференцируема в точке , то непрерывна в точке .
Т.к. при
будет
– определение непрерывности на языке
приращения.
Если дифференцируема в точке , то существуют
,
причём
.
Имеем
при
,
т.е.
.
Единственность дифференциала:
,
где
для независимой переменной.
,
где
в евклидовом пространстве, т.е.
.
а)
при
,
т.е. при
.
б)
,
где
при
,
т.е. при
.
Достаточное условие дифференцируемости:
Если в некоторой окрестности
точки
существуют все
и все они непрерывны в точке
,
то
дифференцируема в точке
.
Д
ля
простоты пусть
,
т.е.
.
Имеем:
.
Т.к.
,
то по теореме Лагранжа
.
Аналогично,
.
Т.к.
и
непрерывны в точке
,
то
,
где
и
при
.
Отсюда
,
где
и
при
,
что и означает дифференцируемость
в точке
.
Теорема о дифференцируемости сложной
функции: Пусть даны функции
,
причём все
дифференцируемы в точке
,
а
дифференцируема в точке
,
где
.
Тогда сложная функция
дифференцируема в точке
,
причём частные производные считаются
по формуле
,
где все
берутся в точке M,
а все
берутся в точке T.
Придадим переменным
приращение
.
Тогда
получат приращение
,
а
получит приращение f.
Т.к. все функции дифференцируемы, то
,
где
при
.
,
где – расстояние
от
до T. Отсюда видно, что
,
где
.
Поэтому
при
,
т.к. при этом
по непрерывности функций
в точке T, т.е.
.
Так же и
.
Имеем:
,
откуда и следует утверждение теоремы.
Инвариантность формы первого
дифференциала: Дифференциал
дифференцируемой функции
может быть задан в виде
как в случае, когда
– независимая переменная, так и когда
они сами дифференцируемые функции:
.
Например, для
и
.
Отсюда следует сохранение формул
дифференцирования, например,
.
Аналогично
.
Производные и дифференциалы высших порядков
Теорема о равенстве смешанных
производных: Пусть в
некоторой окрестности точки
у функции
и
,
причём обе эти функции непрерывны в
точке
.
Тогда
.
Пусть у функции существует в некоторой окрестности точки все частные производные до k-го порядка включительно, причём все они непрерывны в точке . Тогда все смешанные производные до k-го порядка включительно не зависят от порядка дифференцирования.
Определение:
Пусть
,
причём все функции
имеют все частные производные до m-го
порядка включительно в точке
и непрерывны в точке T,
а функция
имеет все частные производные до m-го
порядка и они непрерывны в соответствующей
точке
,
где
.
Тогда у сложной функции
в точке T
существуют все частные производные до
m-го
порядка и все они непрерывны в точке T.
Пусть
и
– независимые переменные. Тогда
,
(если смешанные производные равны)
(символически)
.
Аналогично,
,
если все смешанные производные не
зависят от порядка дифференцирования.
Дифференцирование сложных функций
Если
,
то дифференциалы старших порядков
сохраняют форму.
Формула Тейлора
Пусть в некоторой окрестности
точки
функция
и все её частные производные до m+1-го
порядка включительно существуют и
непрерывны. Тогда для
из окрестности точки
и
.
Обозначим
.
Введём функции
.
Тогда
,
где
и
.
По теореме о сложной функции,
будет иметь непрерывные производные
вплоть до m+1-го порядка
на
.
Применим к
формулу Тейлора:
,
где
.
Здесь
,
(т.к.
и
)
.
Т.к.
выражаются через t
линейно,
,
то все дифференциалы сохраняются, т.е.
.
Экстремум функции нескольких переменных
Пусть функция
определена в некоторой окрестности
точки
.
Говорят, что у
в точке
максимум, если
для
будет
.
Если для
будет
,
то максимум
в точке
называется строгим.
Необходимое условие экстремума:
Пусть в точке
у функции
экстремум
и в точке
существует частные производные
.
Тогда
.
Пусть существует
.
Т.к.
,
где
.
Т.к. у
в точке
экстремум, то будет
.
Достаточное условие экстремума
Пусть дана квадратичная
форма
.
Тогда
называется положительно
определённой,
если для
будет
.
называется неопределённой,
если
и
.
Критерий Сильвестра:
положительно определена, если
отрицательно определена, если
.
Пусть точка
– стационарная для
(т.е.
),
и пусть в некоторой окрестности точки
существуют и непрерывны все вторые
частные производные
.
Если обозначить
,
то в точке
у
экстремум, если
знакоопределена.
Максимум, если
отрицательна определена, минимум –
если положительно и экстремума нет,
если
– знаконеопределённая квадратичная
форма.
Применим к
для точек M достаточно
близких к точке
формулу Тейлора:
(полагая
,
где
при
)
(положим
,
где
;
тогда
)
,
где
при
.
У нас
рассматривается на множестве
– сфере единичного радиуса с центром
в начале координат. Эта сфера ограничена
и замкнута, т.к. если точка
– предельная для сферы, то существует
последовательность
и
,
откуда видно, что
,
т.е. что предельная точка принадлежит
сфере. Пусть теперь, например,
положительно определена. Тогда всюду
на сфере
,
а по второй теореме Вейерштрасса, т.к.
непрерывна, то
.
Вспомним, что
,
где
при
.
Следовательно,
при
будет
.
Тогда при
,
т.е. при
достаточно малых, будет
,
т.е.
или
,
т.е. в точке
минимум.Пусть теперь – знаконеопределённая форма, т.е. и
,
а
.
Положим
.
Тогда
,
где
при
,
т.е. при
.
Т.к.
при
,
то
для
будет
.
Но тогда для
будет
,
следовательно, в точке
экстремума нет.
Если для
,
то экстремума нет.
Пусть даны функции
для которых существуют все
для
.
Определитель
называется определителем
Якоби (якобианом) и
обозначается:
.
.
.
Теорема о неявной функции (для случая
системы уравнений): Пусть
заданы функции
,
причём в некоторой окрестности точки
все
дифференцируемы, все их частные
производные I
порядка непрерывны в точке
и якобиан
,
а сами
.
Тогда для
в окрестности точки
пространства переменных
существует и единственна система функций
,
которая является решением системы
уравнений
,
причём в этой окрестности все
непрерывны, дифференцируемы и
.
Условный экстремум
Говорят, что решается задача
на условный экстремум,
если для функции
ищутся точки, доставляющие экстремум
этой функции среди точек, удовлетворяющих
условиям (уравнения связи):
.
Будем считать, что
в необходимой нам области.
1-й метод: Если возможно, то из
уравнений связи выражаем:
,
подставляем в
и получаем
и исследуем её на обычный экстремум.
2-й метод (только необходимые условия):
Пусть выполнены условия теоремы о
неявной функции для уравнений связи.
Тогда хотя бы принципиально существуют
функции
,
которые являются решением этого уравнения
и нам достаточно исследовать на экстремум
.
Необходимое условие экстремума:
,
т.е.
.
По инвариантности формы первого
дифференциала это условие можно записать
в виде:
.
Продифференцируем уравнения связи:
.
Определитель этой системы относительно
– это
и поэтому эту систему можно разрешить
относительно
и все
будут линейными функциями
.
Подставим
в
и получим:
,
т.к.
независимы. В результате получим систему
уравнений относительно
неизвестных.
– точка, подозрительная на экстремум.
3-й метод (метод множителей Лагранжа):
(Этот метод представляет собой продолжение
второго от первой системы). Умножим
уравнения из системы
на
и сложим с
.
Получим:
.
Введём функцию (функцию Лагранжа)
.
Тогда имеем:
.
Подберём
так, чтобы
.
Это возможно, т.к.
,
где – определитель
системы
.
Тогда при этих
будет
,
что равносильно
.
Присоединяя условие
,
получим
уравнений относительно
.
Достаточный признак
Т.к. на множестве, заданном уравнениями
связи
,
то достаточно рассматривать
вместо f.
Имеем:
.
При этом
,
т.к. функция рассматривается на экстремум,
следовательно, второй дифференциал
можно писать по формуле для случая
независимых переменных, т.к.
и
.
Чтобы учесть множество, на котором
рассматривается функция, дифференцируем
уравнения связи:
,
выражаем
через
(это возможно, т.к. определитель системы
).
Поставив
в d,
получим
,
которую и надо исследовать.
Теорема о неявной функции
Пусть задана функция
,
в некоторой окрестности точки
дифференцируема,
непрерывна и
.
Тогда для любого достаточно малого
при
уравнение
имеет единственное решение, т.е. существует
единственная функция
,
причём
и
непрерывна и дифференцируема.
Существование: Обозначим
.
Тогда
и в некоторой окрестности точки
дифференцируема и
непрерывна. Пусть
– такая окрестность точки
,
в которой
сохраняет знак, например,
.
Берём
точки
и
лежат внутри шара .
Т.к. на
до
функция
возрастает по z (т.к.
),
то
.
Т.к. в
дифференцируема, то
в непрерывна,
следовательно, у
и
существуют окрестности, где
сохраняет знак. В частности,
при
будет
.
Убедимся, что при
существует единственное решение
уравнения
при условии
.
Возьмём
.
Тогда
;
на отрезке
непрерывна и монотонна, т.к.
,
следовательно,
на этом отрезке в единственной точке
принимает значение
.
Обозначив найденные значения
,
мы и находим искомое решение
,
причём
.Непрерывность: т.к. любая точка
из
обладает точно такими же свойствами,
что и
(т.е.
),
то доказательство достаточно провести
для точки
.
А для этой точки непрерывность
следует из самого построения. По любому
достаточно малому
найдено
такое, что при
будет
а это и есть непрерывность
.Аналогично и дифференцируемость . Достаточно доказать для . Возьмём приращение x, y. Тогда функция получит приращение z, причём, т.к. непрерывны, то
при
.
Кроме того,
,
откуда
(т.к.
– решение уравнения
).
Но
дифференцируема в точке
,
поэтому
,
где
при
,
т.е. при
.
Т.к.
,
то при достаточно малых
будет
(т.к.
),
откуда
.
Заметим, что
,
,
где
и
при
.
Отсюда
,
что и означает дифференцируемость
в точке
,
а, значит, и в любой
.
и
.
Если заданы функции так:
и
,
то
.
