Пределы_Дифференциальное исчисление

2.6.4. Асимптоты плоских кривых

Опр. Линия, к которой неограниченно приближается кривая, называется асимптотой этой кривой.

Специально не оговаривается как ведет себя кривая относительно асимптоты (пересекает асимптоту или нет).

кривая

асимптота кривой

Рис 4.4. Кривая и ее асимптота.

Примером такого рода асимптоты будет экспонента 0,5ех для гиперболической функции y=Shx.

Будем рассматривать только прямолинейные односторонние асимптоты, которые имеют вид y=kx+b , y=b , x=a. Начнем с простейших – вертикальных. Если в некоторой точке х=а функция y=f(x) не определена, то имеет смысл вычислить односторонние пределы этой функции в этой точке. Если хотя бы один из односторонних пределов есть бесконечный предел, то прямая х=а – вертикальная асимптота.

Пусть мы строим график функции y=f(x). И возник вопрос о наличии асимптоты вида y=kx+b. Поступаем так. По определению разность f(x)- (kx+b)=α(x) - бмв при х→ ∞ или при х→- ∞. Разделим обе части равенства на х и подсчитаем пределы обеих частей при тех же условиях. Получаем

lim	f (x)	-k	-lim	b	=lim	α(x)	Откуда получаем k=lim	f (x)	т.к.
	x					x		x
x→∞			x→∞ x		x→∞		x→∞

остальные пределы дают нули. Если же просто подсчитать при тех же
условиях пределы lim f (x) -kх -b=lim α(x) , то получим b=lim f (x) -kх.
x→∞	x→∞	x→∞

Частный случай. При k=0 получают горизонтальную асимптоту y=b.

2.6.5.Общая схема исследования и построение графиков.

Обобщаем все ранее приведенные исследования функции и получаем алгоритм исследования функции и построения ее графика.

1-й шаг. Найди область определения функции. 2-й шаг. Найди производную f’(x) функции.

3-й шаг. Найди точки, в которых f’(x) равна нулю, и точки, в которых f’(x) не существует.

4-й шаг. Найди 2-ю производную функции.

5-й шаг. Реши уравнение f’’(x)=0 (найди нули 2-й производной). Найди точки, где f’’(x) не существует

6-й шаг. Точками, найденными в п.п.3 и 5. разбей область определения на промежутки.

7-й шаг. В каждом промежутке возьми точку и установи(узнай, выясни) знак производной в выбранной точке. Сделай вывод и возрастании-убывании функции; наличии экстремума и вычисли значения экстремума.

8-й шаг. На каждом промежутке возьми точку и установи (узнай, выясни) знак 2-й производной в этой точке. Сделай вывод о выпуклости-вогнутости графика функции в этом промежутке , наличии точек перегиба и вычисли значения функции в точках перегиба.

Примечание. Пункты 6,7,8 лучше выполнять в сводной (результативной) таблице. 1-я строка таблицы – промежутки и точки из п.п.3 и 5. 2-я строка – знаки f’(x) по промежуткам и на границах промежутков. 3-я строка – знаки f’’(x) по промежуткам и на границах промежутков. Последняя строка отводится для символов, которые характеризуют поведение функции и ее графика: - возрастает ; - убывает ; - выпукла и убывает;

- выпукла и возрастает; - вогнута и возрастает ; - вогнута и убывает. Все это облегчит в дальнейшем построение графика.

9-й шаг. Исследуй точки разрыва на наличие вертикальных асимптот.

10-й шаг. Найди возможные наклонные асимптоты при графика при х→ ∞ или при х→- ∞.

11-й шаг. Выбери масштаб руководствуясь значениями экстремумов, перегибов и их координат. Изобрази асимптоты , экстремумы, перегибы. 12-й шаг. Плавной линией соедини все участки кривой , двигаясь слева направо.

Примечание. Некоторые из пунктов могут меняться местами (например, п.п.9 и 10 могут выполняться сразу за п.1.).

Пример 4.5. Исследовать функцию y=3xex и построить ее график. Область определения ( − ∞; ∞). Точек разрыва нет и потому нет

	вертикальных асимптот. Для других асимптот найдем k=lim								3xe x		= ∞ - при
									x
								x→ + ∞
	х→ ∞	асимптот нет.		Найдем k=lim	3xe x	=lim	3	=0. Далее			найдем
					x		x
				x→ − ∞		x→ ∞	e
	b==lim f (x) -kх=lim		3x	=0 по правилу Лопиталя (экспонента растет быстрее
			x
	x→ − ∞	x→ ∞	e

любой степени). Получаем горизонтальную асимптоту y=0. При этом х отрицателен и потму график приближается к оси Ох снизу.

Находи y’=3ex (x+1). Существует во всех точках. Находим нули – х1=-1. Находим y’’=3ex (x+2). Существует во всех точках. Находим нули – х2=-2.

		Cтроим сводную таблицу
Х		− ∞; -2		-2		-2 ; -1		-1		-1	∞
Y’		-		-		-		0		+
Y’’		-		0		+		+		+
Y				-6е-2				-3е-1
				=0,6				-1,2

По результатам исследования получаем график на Рис 4.5.

у=3хex

экстремум уmin=-1,2 перегиб уперег=-0,6

-2	-2	х
+	+	О

Рис 4.5. График кривой у=3хex .

3. Функции нескольких переменных

3.1.Основные понятия

Все понятия, справедливые для функций 2-х переменных, остаются верными и для функций любого конечного числа переменных.

Опред. Если паре (х;у) из множества М по закону f ставится в соответствие единственное действительное z, то говорят, что на М задана функция двух переменных и обозначают этот факт z=f(x;y).

Множество М называют областью определения функции. Аналогично определяется функция любого иного числа переменных.

Т.к. геометрически паре (х;у) соответствует точка на координатной плоскости хОу, а величине z соответствует аппликата в трехмерном пространстве, то геометрически факт z=f(x;y) можно истолковать как поверхность в пространстве (см. раздел 6).

Гораздо труднее дать интерпретацию функции 3-х переменных. Поэтому введем понятие поля : если в каждой точке M некоторого пространства задано значение величины U, то говорят, что в пространстве задано поле U и обозначают этот факт U=U(M).

Т.к. точка М может зависеть от нескольких координат и еще менять свое местоположение от времени, то можно провести простую классификацию полей. Если М меняет свое положение в зависимости от времени t , то поле называют нестационарным, в противном случае – стационарным. Кажется парадоксальным, но поле скоростей точек при течении воды в трубопроводе при открытом кране – стационарное поле!

Если М(х) , то поле одномерно (осевое); если М(х,у) – поле плоское; если М(х,у,z) – поле пространственное.

Если U скалярная величина , то поле скалярное; если U вектор. То и поле векторное.

Опред. Окрестность точки (х,у) – круг некоторого радиуса и с центром в точке . Для пространственной точки окрестность – это шар.

Опред. ε-окрестность точки - это круг радиуса ε и с центром в этой точке.

Опред. Точка Р – внутренняя для некоторого множества, если любая ε- окрестность ее содержит только точки этого множества.

Опред. Точка Р граничная для множества, если любая ε-окрестность ее содержит как точки множества, так и точки, ему не принадлежащие.

Опред. Множество граничных точек – граница.

Опред. Областью называют множество открытое и связное. Открытость

– множество состоит только из внутренних точек. Связность – любые две точки множества можно соединить непрерывной линией, состоящей только из внутренних точек.

Если множеству принадлежат его внутренние точки и точки границы – это замкнутая область.

Если множество целиком принадлежит кругу конечного радиуса с центром в начале координат, то это ограниченное множество.

Опред. Линией уровня функции z=f(x;y) называют множество точек области определения, в каждой из которых выполняется равенство С= f(x;y).

Для функции 3-х переменных справедливо понятие поверхности уровня.

3.2.Непрерывность функций нескольких переменных

Опред. С называют пределом f(M) при М ÆМо, если для любого ε >o можно указать такое δ >0, что как только М оказывается в δ -окрестности точки Мо, выполняется неравенство f (M ) −C < ε .

Это записывают такlim f(M)=C. При этом подразумевается

M →M o

независимость стремления М к Мо.

Справедливы соответствующие теоремы о пределах.

Опред. z=f(x;y) называют непрерывной в Мо , если она определена в этой точке и имеет предел в этой точке, равный значению функции в этой точке.

Опред. Функция, непрерывная в каждой точке области, называется непре-рывной в области.

Справедливы известные свойства функций, непрерывных в ограниченной замкнутой области: (о непрерывности суммы, произведения, частного, сложной; об ограниченности ; о достижении наибольшего и наименьшего значений).

3.3.Частные производные и дифференциалы

Пусть дана z=f(x;y). Дадим переменной х приращение х. Тогда функция z=f(x;y) получит некоторое приращение только за счет приращения

х. Обозначим	его	значком	хz	и назовем частным приращением.
Естественно,	хz=	f(x+ х;y)-	f(x;y).	Аналогичные приращения можно

записать при изменении других переменных.

Опред. Частной производной от функции по данному аргументу называют предел отношения частного приращения функции к вызвавшеме его приращению аргумента , если последнее стремится к нулю.

Символически это факт записывают по разному : z’x ; f’x ; ддxz ; ддfx ;

ддx f (x, y) и т.д. Обратите внимание – в третьей и четвертой записях не

записано отношение, а записан один символ! Читается всегда так ”частная производная от … по …”. Неверно читать “ дэ от … по дэ…”.

Распространим на частую производную известный геометрический ее смысл – частная производная характеризуют скорость изменения функции в направлении выбранной координатной оси.

Теорема(необходимое условие существования ЧП). Если f(x;y) имеет ЧП в данной точке, то функция непрерывна в этой точке.

Док. По определению f’x = lim	x z .	Используя	связь предела с
M →M o	x
бесконечно малой величиной получим	хz=	f’x х+α( x)	х. Если теперь

подсчитать пределы обеих частей полученного равенства, то получим одно из определений непрерывной в точке функции.

Опред. Главная часть частного приращения функции, линейная относительно частного приращения аргумента называется частным дифференциалом функции и обозначается dxz= f’x х или dxz= f’x dх.

Пусть дана f(x;y). При переходе от точки М к точке Мо эта функция получит приращение z, которое в отличие от частного следует называть полным приращением функции.

Опред. Если z удается представить в виде

А х+В у+α1 (	x) х+α2 ( x) у, то говорят, что z=f(x;y) дифференцируема,
а выражение А	х+В у называют полным дифференциалом и обозначают
dz.

Выведем формулу для вычисления полного дифференциала. Имеем

z= =f(x+	х;y+ у)- f(x;y)= f(x+	х;y+ у) - f(x;y+ у) + f(x;y+ у) - f(x;y)=
f(x+ х;y+	у)- f(x;y+ у) +(f(x;y+ у)- f(x;y)). Для каждой разности
применим	формулу Лагранжа	конечных отношений и получим	z=

f’x(C1;y+ у) х+ f’y(x;C2) у,	где точки C1 и C2			расположены на участках
приращения переменных. Но,	т.к.	lim	f’x(C1;y+ у)= f’x(х;y) и		lim
	x→0, y→0				x→0, y→0
f’y(x;C2) = f’у(х;y), то из связи пределов с бесконечно малыми получаем
z= f’x(х;y) х+ f’у(х;y)	у+α1 (	x)	х+α2 ( x)	у	(5.1)
Отсюда видно, что dz= А х+В		у= f’x(х;y)		х+ f’у(х;y) у= f’x(х;y)dх+

f’у(х;y)d у. Т.е . полный дифференциал равен сумме частных дифференциалов.

Полный дифференциал удобно применять в вычислениях.

Пример 5.1. Вычислите приближенно 1,01 2,03 . Решение. Подберем подходящую по виду функцию z=xy . Возьмем точку Мо достаточно близкую к точке М(1,01; 2,03) и такую, чтобы легко можно было вычислить значение функции в этой точке. Такой будет Мо(1;2). Тогда z(Мо)=1. При переходе от точки Мо к точке М функция получит некоторое приращение z, которое мы не знаем. Но можем вычислить приближенно, заменив полным

дифференциалом dz(Mo). Получаем		z=dz= f’x(х;y)	х+ f’у(х;y) у. Найдем
частные производные функции в точке Мо. f’x(Мо) = y xy-1 =1. f’y(Мо)
=xylnx=0.
х=1,01-1=0,01;	у=2,03-2=0,03.	Получаем	z=1(0,01)+0(0,03)=0,01.

Окончательно 1,01 2,03 =1+0,01=1,01.

3.4. Производная по направлению и градиент

Уже известно, что частные производные характеризуют скорость изменения функции в направлении соответствующей координатной оси. Попытаемся вычислить скорость изменения функции в произвольном направлении.

→

→

Опред. Производной по направлению вектора

l

= MMo от функции

f(x;y) называют lim

x

z

. Обозначают производную по направлению

дf

.

→

дl

M →M o

ММо

Выведем формулу для вычисления производной по

направлению. Пусть

→

MMo

= ρ . Тогда

х= ρ Cos α

и

у= ρ Sinα .

Имеем с точностью до

бесконечно малых порядка малости более высокого , чем

х, равенство z=

=f’x(х;y)

х+ f’у(х;y)

у=

f’x(х;y) ρ Cos

α

+ f’у(х;y)

ρ Sinα . Разделим

последнее равенство на

ρ

и вычислим указанный в определении предел.

Получим окончательно

дf

= f’x(х;y)Cos

α

+ f’у(х;y)Sinα

производную по

дl

направлению. Т.к.

β =90о

-α ,

то можно использовать направляющие

→

→

косинусы вектора l = MMo и выражение для производной по направлению

примет вид

дf

= f’x(х;y)Cos α + f’у(х;y)Сos β

(5.2)

дl

Если же требуется вычислить производную по направлению для функции трех переменных, то получим формулу

ддfl = f’x(х;y;z)Cos α + f’у(х;y;z)Сos β + f’z(х;y;z)Сos γ .

Мы видим, что записанное справа выражение похоже на скалярное произведение двух векторов, один из которых единичный направления

→

→

l = MMo . Для второго вектора введем обозначение

→

→

→

grad f(x;y;z)= f’x(х;y;z)

i + f’у(х;y;z) j + f’z(х;y;z) k

(5.3)

дf

= l→о grad f(x;y;z) =

→

Т.о.

l

grad f(x;y;z)

Cosф=

grad f(x;y;z)

Cosф

дl

о

откуда следует, что grad f указывает направление наибыстрейшего изменения поля. Это весьма важная физическая характеристика поля. Позже получим некоторые характеристики самого градиента.

3.5. Производная сложной функции нескольких переменных

Пусть задана сложная функция с двумя промежуточными и одним основным аргументом z=f(x;y), x=x(t), y=y(t). Требуется вычислить производную z’t . отметим. Что это полная производная, т.к. фактически это функция одного переменного. Пусть переменная t получила приращение t. Тогда соответствующие приращения получат и функции х и у, зависяшие от t, а вместе с ними и функция z получит полное приращение z= f’x(х;y) х+ f’у(х;y) у. Разделим полученное приращение на t и вычислим предел этого отношения при tÆ0. Тогда получим f’t = f’x x’t+ f’у y’t -формула для вычисления производной сложной функции данного типа.

Если же задана сложная функция с двумя промежуточными и двумя основными аргументами z=f(x;y), x=x(t,s), y=y(t,s), тогда можно использовать уже разработанный алгоритм вычисления частных производных и получить формулы f’t = f’x x’t+ f’у y’t ; f’s = f’x x’s+ f’у y’s или в других символах

дz

=

дz дx

+

дz дy

и

дz

=

дz дx

+

дz дy

. В последних записях отметим

дt

дx дt

дy дt

дs

дx дs

дy дs

справедливость предупреждения о том, что частные производные – это не дроби, а единые символы. В противном случае полсе сокращения справа было бы получено две частные призводные , равные одной производной слева!

Если от функции нескольких переменных взяты частные производные, то они сами будут функциями от тех же аргументов. Естественно попытаться поставить вопрос о производных от частных производных.

Определение. Частная производная от частной производной порядка n- 1 от данной функции называется частной производной порядка n от данной функции.

3.6. Производные и дифференциалы высших порядков

Аналогично определяются частные и полные дифференциалы высшего порядка. Соответствующим образов выглядят символические обозначения

д дz д2 z

частных производных и дифференциалов высшего порядка: дx (дx) или дx2

или f’’xx - все это производные 2-го порядка от функции z=f(x;y;…) по переменной х. Читается это так “частная производная второго порядка от функции f (или z) по переменной х дважды”. Естественно, что частные производные можно брать по всем аргумента.

Справедлива теорема – если f(x;y) имеет всевозможные частные производные до порядка n-1 включительно и имеет непрерывные частные производные порядка n , то значение частной производной порядка n независит от последовательности, в которой для ее вычисления проводились дифференцирования по переменным, а определяется только общим числом дифференцирований по каждому аргументу.

К примеру, имеем естественные равенства в условиях данной теоремы :

д3 z	=	д3 z	=	д3 z	=	д3 z	=…
дудx2		дхдудx		дx2 ду		дудxдx

3.7. Производные неявных функций

Ранее было введено понятие неявной функции одного аргумента в неявном виде, т.е. уравнением F(x;y)=0. Однако там же указывалось, что не всякое уравнение F(x;y)=0 определяет функцию y=f(x).

Теорема (достаточные условия существования неявной функции). Пусть :

1.F(x;y) определена и непрерывна как функция двух переменных вместе со своими частными производными в некоторой окрестности точки Мо(хо;уо);

2.В точке Мо(хо;уо) имеет место равенство F(хо;уо)=0,

3.В точке Мо F’x(хо;уо) не равна нулю;

тогда:

} уравнение F(x;y)=0

a. В некотором прямоугольнике D{

x − xo

< δ;

y − yo

<

определяет однозначную y=f(x);

b. При х= хо функция y=f(x) принимает значение уо ;

c. На промежутке

{

x − xo

< δ }

функция y=f(x)

непрерывна и имеет

F '

производную, которую вычисляют по формуле y`= − x' .

Fy

Доказательство опускаем. Получим только формулу для вычисления производной. Пусть в D имеет место F(x;y)=0 и потому dF=0. Но dF=

F '

F’x(х;y)dх+F’у(х;y)d у. И потому имеем y`= − x' .

Fy

Комментарий. Следует заметить, что фактической функции y=f(x) можно и не получить вообще, т.к. не всякое уравнение F(x;y)=0 можно решить относительно у. И все же производную вычислить можно!

Обобщим полученное на неявную функцию трех переменных. Получим для задания функции в виде F(x;y;z)=0 формулы для частных производных:

дz		F	'		дz		Fy'
	= −	x		и		= −			, что легко получить либо по аналогии, либо из
дx		'			дy		F	'
		F	z					z

очевидного равенства dF=0 или F’x(х;y;z)dх+F’у(х;y;z)d у +F’z(х;y;z)dz=0

откуда

F

'

Fy'

дz

дz

dz= −

x

dx+(

−

)dy

, но dz=

dx+

dy и потому верны

'

F

'

дx

дy

F

z

z

записанные выше формулы для вычисления частных производных. Используем производную неявной функции для получения характеристик

градинта поля. Пусть дана z=f(x;y) . И пусть дана некоторая линия уровня z=C. Пусть Мо лежит на линии уровня. Тогда можно найти угловой коэффициент касательной к линии уровня в точке Мо, используя

производную неявно заданной функции k= y`= −		f '	. Однако нам известен по
		x
		'
		f y
(5.3)
→	→
grad f(x;y)= f’x(х;y) i + f’у(х;y)	j . Легко		видеть, что градиент

перпендикулярен касательной ,т.к. вектор касательной имеет координаты (- f’у(х;y); f’x(х;y) ). Скалярное их произведение равно нулю.

Т.о. градиент – это вектор, нормальный к линии (поверхности) уровня, проведенной через данную точку. Он указывает направление наибольшего увеличения поля.

3.8.Экстремумы функций нескольких переменных

3.8.1.Локальный экстремум

Определение экстремума перенесем из функций одного переменного. Теорема. Если z=f(x;y) непрерывна в окрестности точки Мо.

Дифференцируема там и имеет в точке Мо экстремум, то имеют место

		'	(Mo) = 0,
f		x'
равенства	f		. Доказательство. Пусть для определенности Мо –
		y	(Mo) = 0

точка максимума. Тогда в любой окрестности этой точки справедливо f(x;y)<

f(хо;уо). Это	значит. Что	дифференцируемая по х	функция f(х;уо)
удовлетворяет	необходимым	условиям существования	экстремума, т.е.

f’x(хо;уо)=0. Аналогичные рассуждения приведут ко второму равенству. Комментарий. Следует помнить, что условия теоремы не являются

достаточными. Так функция z=x2-y2 удовлетворяет необходимым условиям наличия экстремума в точке (0;0), но там экстремума нет (см. раздел 6 т.к. эта поверхность – гиперболический параболоид), а есть минимакс.

Теорема (достаточные условия существования экстремума). Пусть в δ - окрестности точки Мо функция z=f(x;y) имеет непрерывные до второго порядка включительно частные производные и выполняются необходимые условия наличия экстремума. Тогда при =( f’’xу)2- f’’xx f’’уу)<0 в точке Мо

имеется экстремум; если >0 , то экстремума нет; если =0, то требуются дополнительные исследования.

Док. Запишем формулу Тейлора для функции в окрестности Мо с

точностью до R2 . f(M)=f(хо;уо)+ f’x(хо;уо)(х- хо)+f’у(хо;уо)(у- уо)+ +0,5(f’’xx(хо;уо)(х- хо)2+2 f’’xy(хо;уо)(х- хо)(x- yо)+ f’’yy(хо;уо)(y-yо)2)+ R2 .

первые два слагаемые выпадают по необходимому условию. И тогда знак

разности f(M)-f(хо;уо) определяется знаком трехчлена
f’’xx(хо;уо)(х-хо)2+2f’’xy(хо;уо)(х-хо)(x-yо)+ f’’yy(хо;уо)(y-yо)2	Т.е. знаком
величины
(х-хо)2 (f’’xx(хо;уо)+2 f’’xy(хо;уо)t+ f’’yy(хо;уо)t2). Т.к.	нам требуется

гарантировать постоянство знака у разности f(M)-f(хо;уо), то это будет, если дискриминант трехчлена меньше нуля. Получаем требование для наличия экстремума

=( f’’xу)2- f’’xx f’’уу)<0, что и требовалось . Если же знак положителен, то невозможно гарантировать постоянство знака разности f(M)-f(хо;уо), а это говорит об отсутствии экстремума. Если же =0. То исследование следует продолжить, т.к. все опирается теперь на слагаемые более высокого порядка в формуле Тейлора.

Следствие. Если наличие экстремума обеспечено, то условие f’’уу<0 (или эквивалентное ему f’’xx<0) указывает тип экстремума – максимум. Если же f’’уу>0 (или эквивалентное ему f’’xx>0) , то тип экстремума – минимум.

Как видим поиск локального экстремума весьма трудоемкая работа. Самое трудное – решение системы необходимых условий. Поэтому для поиска экстремумов используют приближенные численные методы (покоординатный, градиентный, случайный и др. методы спуска).

3.8.2.Условный экстремум и экстремум глобальный

Пусть задана z=f(x;y) и пусть аргументы х и у связаны условием ф(x;y)=a. В силе этого переменные х и у в некотором смысле зависимы.

Опред. Числовое значение f(Mo) называют условным экстремумом в точке Мо, а Мо точкой условного экстремума, если в некоторой одномерной окрестности тоски Мо на линии ф(х;у)=а это значение будет наибольшим (наименьшим).

Сначала получим необходимое условие существования такого экстремума. Руководствуемся Рис 5.1. Пусть задана линия связи ф(х;у)=а и несколько линий уровня функции z=f(x;y) : z=C1, z=C2, z=C3, z=C4, z=C5 .

Пустьконстанты связаны соотношением C1<C2<C3<C4<C5 Тогда точки пересечения линии связи ф(х;у)=а и линий уровня z=C1, z=C2, z=C3, z=C4 не могут быть точками условного максимума функции z=f(x;y), т.к. при движении через эти точки пересечения значение z=f(x;y) только возрастает. Единственной подозрительной на наличие максимума точкой будет точка Мо, т.к. с одной стороны от нее значение z=f(x;y) возрастает с приближением к Мо, а со второй