- •Математика Функции двух и трех переменных
- •§1. Функции двух и трех переменных
- •1.1. Частные производные функции двух и трех переменных
- •§2. Приложения частных производных
- •2.1. Производная по направлению функции двух и трех переменных
- •2.2. Полный дифференциал функции двух и трех переменных.
- •2.3. Экстремумы функции двух переменных
- •2.4. Условный экстремум функции двух переменных
- •§3. Линейное приближение экспериментальных данных
- •§1. Функции двух и трех переменных 3
- •1.1 Частные производные функции двух и трех переменных.. 3
- •§2. Приложения частных производных 8
- •§3. Линейное приближение экспериментальных данных 18
§2. Приложения частных производных
2.1. Производная по направлению функции двух и трех переменных
Сведения из теории
Мы рассматриваем функцию 2-х переменных . В общем случае переменные и могут изменяться одновременно и независимо друг от друга в области определения функции . При введении частных производных мы рассматривали два частных способа изменения и , а именно, когда одна переменная меняется, а вторая нет. Теперь введем понятие производной функции 2-х переменных при условии, что обе переменные меняются одновременно.
Обсудим один
методический момент. Производная по
направлению выводится в предположении,
что точка
удаляется от точки
по прямой линии. Это предположение
кажется неестественным, поскольку
предполагается, что
и
могут изменяться совершенно произвольно.
Следовательно, точка
может удаляться от точки
по произвольной траектории. Но понятие
производной по направлению вводится в
предположении, что расстояние от точки
до точки
стремится к 0. В этом случае любой
криволинейный кусок траектории можно
заменить куском касательной прямой,
проведенной к этой траектории в точке
.
Именно поэтому во всех дальнейших
рассуждениях мы будем предполагать,
что точка
удаляется
от точки
по прямой линии.
Выведем формулу для вычисления производной функции 2-х переменных по направлению. Для этого должны быть даны три объекта:
конкретная функция 2-х переменных ;
конкретная точка, в которой вычисляется производная (разумеется, точка может быть обозначена любой другой буквой);
направление, в котором вычисляется производная (может быть задано либо вектором
,
либо направлением движения от точки к
точке, либо углами
и
,
образованными прямой с положительным
направлением координатных осей).
Относительно углов
и
оговорим следующее: угол
может принимать только положительные
значения из интервала
. Угол
при этом произвольным уже не является,
он находится через угол
по формуле
.
Из этой формулы получается, что угол
может получиться отрицательным
(полученным вращением луча от оси ОY
по часовой стрелке).
Если все перечисленные объекты известны, то формула производной данной функции в данной точке по заданному направлению вектора имеет вид
.
В этой формуле
нужно пояснить вычисление направляющих
косинусов
и
в том случае, когда направление задано
вектором. Вектор
задан своими
координатами
.
Вычислим длину
вектора
:
.
Тогда
:
.
Посмотрим на
формулу производной по направлению с
точки зрения векторов. Введем вектор с
координатами
.
Для конкретной функции
и конкретной точки
он определен однозначно. Он называется
градиентом функции
в точке
и обозначается
.
Этот вектор
указывает направление самого быстрого
роста функции в точке
.
Длина этого вектора
как раз равна скорости этого роста.
Пример.
Найти производную функции
в точке
в направлении вектора
.
Найти вектор
.
Решение.
Вычислим
;
.
Тогда вектор
градиент будет иметь вид
.
Найдем направляющие косинусы вектора :
;
.
Окончательно производная по направлению будет равна
.
Так как
,
то функция
в точке
в направлении вектора
убывает.
Ответ.
;
Замечание.
Производная
функции трех переменных
в точке
по направлению вектора, образующего
углы
с координатными осями, имеет вид
.
Пример.
Найти производную функции
в точке
в направлении, идущем от этой точки к
точке
.
Решение.
;
;
.
Вектор направления
.
Его длина
.
Тогда
,
,
.
Вычислим искомую производную по направлению
.
Ответ.
,
следовательно, функция
в точке А в направлении вектора
возрастает.
