Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Matan__teoria

.pdf
Скачиваний:
25
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
1.78 Mб
Скачать

Напомним, что для функции одной переменной необходимым и достаточ( ным условием дифференцируемости функции является существование ее про( изводной. Для функции нескольких переменных необходимое условие диффе( ренцируемости и достаточное условие не совпадают. Рассмотрим эти условия для функции двух переменных (для простоты записи).

Пусть функция двух переменных f (x, y) является в точке P0 (x0, y0) . Тогда

1. функция f (x, y)

в точке P0 (x0, y0) ,

 

 

2.функция f (x, y)

f

(P ),

f

(P ) ,

 

 

x

0

y

0

3. A = fx(P0), B = fy(P0) в формулах (3.1), (3.2), (3.3).

Доказательство. Для дифференцируемой функции справедливо равенство (3.1):

f(x0, y0) = A x+ B y+α x+β y.

Из этого равенства следует:

lim f (P0) = 0 или

x0

y0

тогда lim f (P) = f (P0 ) и функция f (P)

PP0

lim

f (P)f (P )

= 0;

PP

 

0

 

0

 

 

 

непрерывна в точке P0 .

Если y = 0 , то равенство f(x0, y0) = A x+ B y+α x+β y примет вид

 

 

 

 

 

 

x f (P0)= A x+α x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

f (P

)

 

(α 0 при

 

 

 

(P

)=

 

 

x

f (P

)

 

Поэтому

 

0

 

= A+α

x 0) и

f

lim

 

0

 

= A .

 

 

x

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

x

0

 

x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично, при x = 0 получим f(P ) = B .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Необходимые условия дифференцируемости не являются достаточ( ными, т.е. из непрерывности функции и существования ее частных производных не следует ее дифференцируемость. Это подтверждает следующий пример.

 

x y

2

 

 

2

+ y

2

0, непрерывна и

Показать, что функция f (x, y) =

 

,

x

 

 

x2 + y2

 

 

 

0,

 

 

x

2

+ y

2

= 0

 

 

 

 

 

имеет частные производные в точке (0,0), но не дифференцируема в этой точке.

Решение. Данная функция f (x, y) непрерывна в точке (0,0), так как (пример 2.1)

lim f (x, y) = lim

x y2

= 0 = f (0,0). Кроме того, данная функция f (x, y) имеет

 

x→0

x→0 x2 + y2

 

y→0

y→0

 

частные производные в точке (0,0), т.к.

f

(0,0) =

lim

x

f (0,0)

=

lim

f (0+ x,0)f (0,0)

=

lim

 

x

x

x

 

x0

 

x0

 

x0

 

 

 

 

 

0

0

 

( x)2

 

 

= 0 ;

 

x

 

 

 

 

11

аналогично fy(0,0) = 0. Предположим, что функция дифференцируема в точке (0,0),

т.е. ее приращение f (0,0) = f ( x, y)f (0,0) =

 

 

 

x ( y)2

 

 

представимо в виде

 

( x)2 + ( y)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (0,0) = f(0,0)

x+ f(0,0) y +ρ γ =0 x+0 y+ρ γ =

 

 

 

 

( x)2 +( y)2 γ, γ →0 при ρ → 0,

x

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

или f (0,0) =

 

x ( y)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

( x)2 + ( y)2 γ

. При y = x > 0 это равенство

 

( x)2 + ( y)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( x)3

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

примет вид:

= 2( x)2 γ

. Тогда γ =

 

 

 

, то есть γ

не является бесконеч(

2 ( x)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

но малой, а функция f (x, y) не является дифференцируемой в точке (0,0).

Итак, из непрерывности функции и существования ее частных производных не следует дифференцируемость функции; нужны дополнительные условия на функцию, например, непрерывность ее частных производных.

Пусть функция f (x, y) имеет

частные производные

в точке

P0 (x0, y0) . Тогда функция f (x, y) является

в этой

точке.

 

 

 

Доказательство этой теоремы опустим.

Назовем функцию в точке, если функция в этой точке имеет частные производные n – го порядка.

3.3. Дифференциалы

Пусть функция f (x, y) дифференцируема в точке (x, y) . Тогда из равенства (3.1) и теоремы 3.1 следует, что приращение функции представимо в виде

 

 

f (x, y) = fx′ (x, y) x+ fy′ (x, y) y+α x+β y

,

(3.4)

 

 

 

 

 

 

 

где

α = α ( x, y), β = β ( x, y) есть функции бесконечно малые

при

x →0, y →0.

 

 

 

 

В равенстве (3.4) выражение

fx(x, y) x + fy(x, y) y линейно относительно

x, y

и является главной частью приращения функции. Это выражение назы(

вают

 

 

 

f (x, y) и обозначают d f (x, y)

. Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

d f (x, y) = fx′ (x, y) x + fy′ (x, y) y

.

(3.5)

 

 

 

 

 

Для функций ϕ (x, y) = x, ψ (x, y) = y

из равенства (3.5) следует:

 

 

d x = dϕ (x, y) = ϕx x +ϕy y =1 x + 0 y d x = x,

 

 

d y = dψ (x, y) =ψx +ψy = 0 x +1 y d y = y.

 

 

 

 

x

y

 

12

Тогда равенство (3.5) примет вид

 

 

 

 

 

.

 

(3.6)

 

 

 

d f (x, y) = fx (x, y)

d x + fy (x, y) d y

 

 

Аналогично определяется

 

 

 

 

 

f (x, y, z) :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d f (x, y, z) = fx(x, y, z) d x + fy(x, y, z) d y + fz(x, y, z) d z

.

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

Запишем равенство (3.3) f (x0, y0)= A x+ B y+o(ρ)

в виде

 

 

 

 

 

f (x0, y0) = d f (x0, y0) + o(ρ) .

 

 

 

 

 

Так как f (x0, y0) = f (x, y) f (x0, y0) , то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x, y) = f (x0, y0)+ d f (x0, y0)+ o(ρ )

 

или

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (M ) = f (M0)+ d f (M0)+ o(ρ )

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если пренебречь бесконечно малой o(ρ), заменить d f (x0, y0) по формуле (3.5) и учесть, что x = x x0 , y = y y0 , то получим приближенное равенство:

 

f (x, y) f (x0, y0) + fx(x0, y0) (x x0) + fy(x0, y0) (y y0)

.

(3.7)

 

 

 

 

 

Это равенство позволяет

функцию, т.е. заменить

функцию

f (x, y) в окрестности точки (x0 , y0)

функцией.

 

Равенство (3.7) используется также для приближенного вычисления значе( ния функции f (x, y) , если известно значение функции f (x0 , y0) .

Линеаризовать функцию f (x, y) = ln(3 x + 4 y 1) в окрестности точки (1, 1).

Решение. Найдем значения функции и ее частных производных в точке (1,1):

f (1,1) = ln(31 + 41 1)= ln1= 0 ,

fx

=

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1 x2

 

3 ,

fx(1,1)

= 1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 x + 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 1

3

 

 

 

 

 

3

 

 

=

 

1

 

 

 

 

 

1

 

3

4

,

(1,1) =

1

.

fy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

y

 

 

fy

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

x + 4 y 1

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь воспользуемся приближенным равенством (3.7)

f (x, y) = ln (3 x + 4 y 1) 13 (x 1) + 14 (y 1).

Итак, мы заменили функцию f (x, y) в окрестности точки (x0 , y0 )

функцией.

Из

равенства

(3.5)

следует,

что

дифференциал

функции

df (x, y) =

fx(x, y) x + fy(x, y) y

при фиксированных x и y есть снова функция

от переменных x и

y . Ее дифференциал называют

 

 

функции f (x, y) и обозначают d 2 f (x, y) .

 

 

 

13

Таким образом,

d 2 f (x, y) = d (d f(x, y))

при фиксированных x , y .

Выведем формулу для вычисления d 2 f (x, y) :

 

 

 

d 2 f (x, y) = d (d f (x, y)) = (d f )

x + (d f )

y =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

= ( fxx + fyy)x +

( fxx + fyy)y =

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

x

 

)

 

 

(

 

 

 

 

 

 

y

 

 

)

 

 

 

 

 

xx

 

yx

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

yy

 

 

 

 

=

 

f′′ ( x)2

+ f ′′

 

y x

 

+

 

f ′′

x y +

f ′′

 

( y)2

 

.

Таким образом,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

′′

 

2

 

′′

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

2

 

 

 

 

 

 

d

 

f (x, y) = fxx ( x)

 

 

+ 2 fx y x y + fy y ( y)

 

.

 

 

 

(3.8)

Запишем эту формулу в другом виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

2

f (x, y) =

2 f

( x)

2

+ 2

2 f

 

x y +

2 f

( y)

2

.

 

 

 

 

 

 

x2

 

xy

y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как это выражение напоминает формулу для квадрата суммы, удобно сим( волически это выражение записать в виде

 

2

 

 

2

 

d

 

f (x, y) =

x

x +

y

y

f (x, y)

.

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично определяются и вычисляются дифференциалы порядков выше второго:

d 3 f (x, y) = d (d2 f (x, y)), ...,

d n f (x, y) = d (d n1 f (x, y))

при фиксированных x , y ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

d

 

f (x, y) =

 

x +

 

y

f (x, y)

.

(3.9)

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В частности,

 

3

 

 

d

 

f (x, y) =

 

x +

 

x

 

 

 

 

 

3

3 f

 

3

 

3 f

( x)

2

 

3 f

x( y)

2

 

3 f

3

 

y f (x, y) =

 

( x)

 

+ 3

 

 

y + 3

 

 

+

 

( y) .

y

x3

 

x2 y

 

xy2

 

y3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для функции трех переменных

 

n

 

 

 

n

 

d

 

f (x, y, z) =

x

x +

y

y +

z

z

f (x, y, z)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение дифференциалов высших порядков будет рассмотрено далее при исследовании функции нескольких переменных на экстремум.

3.4. Сложные функции и их дифференцирование

Пусть функция z = f (x, y) определена в области D , функции x = x (t) , y = y (t) определены на множестве S со значениями в области D . Если подставить зна( чения x = x (t) , y = y (t) в функцию z = f (x, y) , то получим z = f (x (t), y (t)) одной переменной t , определенную на множестве S . Перемен(

ные x , y называют промежуточными переменными, переменную t называют независимой переменной.

14

Пусть z = f (x, y), x = x (t) , y = y (t) − дифференцируемые функ( ции. Тогда производная сложной функции z = f (x (t), y (t)) равна

zt′ = zx xt + zy yt .

(3.10)

 

 

Доказательство. Придадим t приращение t . Тогда переменные x, y получат приращение x, y , и переменная z получит приращение z . Так как функция z = f (x, y) − дифференцируема, то

z = zx x + zy y +α x + β y ,

α= α ( x, y), β = β ( x, y) есть функции бесконечно малые при x →0, y →0.

Разделим равенство на t :

z

x

y

 

x

+ β

y

 

 

(3.11)

t

= zx

t

+ zy

t +α

t

t .

 

Так как функции x = x (t) , y = y (t)

− дифференцируемы, то

 

 

 

 

 

 

= lim

x

,

= lim

y

,

 

 

 

 

 

 

а) эти функции имеют производные x

t

y

t

 

 

 

 

t

t→0

 

t

t→0

 

б) эти функции непрерывны и, значит,

x 0, y 0 при t 0 , из чего

следует, что и α 0, и β 0 .

С учетом этого при переходе в равенстве (3.11) к пределу при t 0 , получим: zt = zx xt + zy yt + 0 xt + 0 yt = zx xt + zy yt .

Полученная формула (3.10) обобщается на сложные функции с любым чис( лом промежуточных и независимых переменных. Справедливо общее правило:

Для отыскания производной сложной функции по независимому аргументу надо ее производную по каждому промежуточному аргументу умножить на производную этого промежуточного аргумента по незави( симому аргументу и сложить эти произведения.

Поясним это правило в следующих случаях:

1) z = f (u,v) , где u = u (x, y), v = v (x, y) .

Тогда z = f ( u (x, y),v (x, y)) есть сложная функция независимых переменных x, y и

 

 

 

zx

= zu ux + zv vx

.

 

 

 

 

 

 

z

= z

u

+ z

v

 

 

 

 

 

 

 

y

u

y

v

y

 

 

 

 

2) z = f (x, y,t) и x = x(t), y = y(t).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда z = f (x(t), y(t),t) есть сложная функция

 

независимой переменной t . По(

этому ее производную обозначим

dz

(полная производная), а не

z

(частная произ(

dt

t

водная). Промежуточные переменные – x , y , t . Итак, согласно общему правилу:

dzdt = xz dxdt + zy dydt + zt .

Найти частную производную zt и полную производную dd zt ,

если z = x2 + y3 + arctgt , x = sin t, y = cost .

15

f (x, y)
f (x, y)

 

 

z

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

2

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Так как

x = 2x ,

 

y

=

3y

 

,

 

 

t

= (arctgt)

=

1+ t2

, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

=2x cost+3y2 (sint)+

 

1

 

 

=2sint cost3cos2t sint+

 

1

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти z′′x x

 

для функции z =

 

 

 

 

 

2

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f x

 

y,

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Представим функцию в виде z = f (u,v), где u = x2y,

 

v =

x

 

. Тогда

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= f

 

+ f

 

 

=

 

f

2 x y

+ f

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

x

u

u

x

v

 

v

x

 

u

v

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

= fu(2 y)+ ( fu)

 

2 x y + ( fv)

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z′′x x = fu2 x y +

fv

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2 y fu′ + ( fuu′′ ux + fuv′′ vx) 2 x y + ( fvu′′ ux + fvv′′ vx)

1

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

= 2 y fu′ +

 

fuu′′ 2 x y +

fu′′v

 

 

 

 

 

2 x y

+

fvu′′ 2 x y + fvv′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учитывая, что f

′′

= f

′′

, получим

 

′′

= 2 y f

+ 4 x

2

 

y

2

 

f

′′

 

+ 4 x

f

′′

 

 

+ f

′′

 

 

 

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uv

vu

 

z

x x

u

 

 

 

 

uu

uv

vv

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5. Дифференциалы сложной функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1). Сначала рассмотрим случай функции z = f (x, y)

 

независимых переменных x, y.

Для такой функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(d x,

d y const);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d z = fxd x + fyd y,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.12)

d2z = d (d z) = d ( fxd x + fyd y)= d ( fx) d x + d ( fy) d y .

 

 

 

 

 

 

(3.13)

2). Теперь рассмотрим случай функции z = f (x, y), где x, y зависимые переменные

x = x(t), y = y(t). Получим сложную функцию z = f (x(t),

y(t)) = F (t), для которой

d z = Ftd t = ( fxxt + fyyt )d t = fx(xt d t)+ fy(yt d t)= fxd x + fyd y .

 

Итак, для сложной функции z = f (x, y), x = x(t), y = y(t)

 

 

 

 

 

 

 

d z = f

d x + f

d y,

 

 

 

 

 

(3.14)

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

 

но в отличие от формулы (3.12) здесь d x = xd t,

d y = yd t есть функции. Поэтому

 

 

 

 

t

 

t

 

 

 

 

 

d2z = d (d z) = d ( f

d x + f

d y)= d ( f ) d x + d (

f) d y +

f

d 2x + f

d2y .

(3.15)

x

y

 

x

 

y

 

 

x

y

 

 

Отметим, что, формулы

(3.13)

и

(3.15)

различны;

они совпадут,

если

d 2x = x′′(t) (d t)2 = 0, d 2y = y′′(t) (d t)2 = 0 , т.е., если

x = at + b, y = ct + d линейные

функции.

Итак, сравнивая формулы (3.12) и (3.14), (3.13) и (3.15), приходим к следу( ющему выводу:

функции , т.е. одна и та же, и когда аргументы функции x, y независимы, и когда аргу( менты x, y сами являются функциями.

функции аргументы x, y есть линейные функции.

16

3.6. Неявные функции и их дифференцирование

 

 

 

 

 

 

 

 

F (x, y) = 0

 

 

 

 

Рассмотрим ряд примеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение

x3 + y3 1= 0 для

любого

x определяет

функцию

 

 

 

 

 

 

 

 

y = 3 1x3 , заданную неявно уравнением x3 + y3 1= 0.

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение x2 + y2 +1= 0 не имеет действительного

 

 

решения y(x) ни для какого действительного x , т.е. это урав(

 

 

нение не определяет функцию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из уравнения e x y x + y = 0 мы не можем выразить

 

 

y через x , но можем графически установить, имеет ли это

 

 

 

уравнение решение. Для этого зафиксируем x = xɶ, запишем ис(

 

 

ходное уравнение в виде

e xɶ y = xɶy и построим графики функ(

Рис. 6

ций ϕ (y) = e xɶ y, ψ (y) = xɶy

для xɶ > 0 (рис. 6), для xɶ < 0 (рис.7).

 

 

Для xɶ > 0 уравнение имеет единственное решение yɶ (рис. 6);

 

 

для xɶ < 0 уравнение не имеет решения (рис. 7);

 

 

 

 

для xɶ = 0 уравнение примет вид e0 + y = 0 и имеет решение y = −1.

 

 

 

Таким образом, уравнение e x y x + y = 0 имеет единственное

 

 

решение при каждом x 0 , т.е. уравнение определяет неявную

 

 

функцию y = y(x) при x 0 , но ее нельзя выразить через эле(

Рис. 7

ментарные функции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть для x X

уравнение F (x, y) = 0

имеет решение y = ϕ (x).

Тогда функцию y = ϕ (x),

x X ,

называют

 

 

, определяемой

уравнением F (x, y) = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть 1) функция F (x, y) и ее частные производные непрерывны в окрест(

 

 

ности точки (x0 , y0),

2) F (x0 , y0) = 0,

3) Fy(x0 , y0) 0.

 

 

 

 

Тогда уравнение F (x, y) = 0 в окрестности точки (x0 , y0)

имеет единствен(

 

 

ное решение y = ϕ (x)

такое,

что ϕ (x0) = y0 . Неявная

функция

y = ϕ (x) ,

 

 

определяемая уравнением F (x, y) = 0 , непрерывна и имеет непрерывную

 

 

производную в окрестности точки x0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если в условии 3) теоремы Fy(x0 , y0) = 0, но Fx(x0 , y0) 0, тогда уравнение F (x, y) = 0 определяет неявную функцию x = x(y) .

Рассмотрим вопрос о дифференцировании неявной функции, определяемой уравнением F (x, y) = 0 . Пусть выполняются условия теоремы 3.4. Тогда уравне(

17

ние F (x, y) = 0 определяет неявную функцию y = y(x). Эта функция при подста( новке ее в уравнение F (x, y) = 0 обращает уравнение в тождество: F (x, y(x)) 0 . Дифференцируя это тождество по x , получим

 

F

x

+ F

y

= 0.

 

x

 

x

 

y

 

x

 

Так как F

0 (по теореме 3.4), то y

= −

F

 

 

 

x

 

. Сформулируем правило, которым

F

 

y

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

удобно пользоваться для отыскания производной.

 

Если неявная функция

y = y (x)

задана уравнением F (x, y) = 0 , то для

 

 

нахождения производной

y(x)

необязательно

разрешать уравнение

 

 

F (x, y) = 0 относительно y ; следует продифференцировать это уравнение по

 

 

x , учитывая, что y есть функция от x .

 

 

 

 

 

 

 

Линеаризовать в окрестности точки

(0,1) неявную функцию

y (x), заданную уравнением e x yx + y = 0 .

 

 

Решение. Продифференцируем равенство e x y x + y = 0 по x, учитывая, что y = y (x):

e

x y

 

 

или e

x y

, или

+ xe

x y

)=1

ye

x y

 

(x y)x 1

+ yx = 0 ,

 

(y + x yx)1+ yx = 0

yx (1

 

.

Отсюда получим

y

= 1

ye x y

,

y(0,1) = 2 . Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

1

+ xe x y

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x) y(x0)+ y(x0) (x x0)

или

y(x) ≈ −1+ 2 x .

 

 

 

 

F (x, y, z) = 0

Теперь рассмотрим функцию, неявно заданную уравнением F (x, y, z) = 0 . Из этого уравнения, если возможно, выразим одну из переменных, например z , через две другие переменные x и y , т.е. найдем решение z = z (x, y) исходного уравнения F (x, y, z) = 0 . Это решение z = z (x, y) называется функцией, неявно за( данной уравнением F (x, y, z) = 0 . Однако, как и в примере 3.9, уравнение

F (x, y, z) = 0 теоретически может определять неявную функцию z = z (x, y), но мы ее не всегда можем выразить через элементарные функции.

Пусть 1) функция

F (x, y, z)

и ее частные производные непрерывны в

окрестности точки (x0 , y0 , z0),

2) F (x0 , y0 , z0) = 0,

3) Fz(x0 , y0 , z0) 0 .

Тогда уравнение F (x, y, z) = 0

в окрестности точки

(x0 , y0 , z0) имеет един(

ственное решение

z = ϕ (x, y)

такое,

что ϕ (x0 , y0)= z0 . Неявная функция

z = ϕ (x, y), определяемая уравнением

F (x, y, z) = 0 , непрерывна и имеет не(

прерывные частные производные в окрестности точки (x0 , y0).

18

Сколько неявных функций и каких определяет уравнение x2 + y2 + z2 1= 0 в окрестности точки P(0,0,1) ?

Решение. В окрестности точки P(0,0,1) уравнение x2 + y2 + z2 1= 0 определяет

одну функцию z = −

1x2 y2 , определенную в круге x2 + y2 1 , или две функ(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ции x = 1z2 y2 ,

x = −

 

1z2 y2 , определенные в круге

z2 + y2 1 , или две

 

 

 

 

 

 

функции y = 1x2 z2 ,

y = − 1x2 z2 , определенные в круге x2 + z2 1 .

Это не противоречит теореме 3.5, так как F(P) 0, а

F(P)

= 0, F(P) = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

x

y

Правило, которым удобно пользоваться для отыскания производной неявной функции, определяемой уравнением F (x, y, z) = 0 , аналогично правилу отыска(

ния производной неявной функции, определяемой уравнением F (x, y) = 0 .

Для отыскания частной производной zx функции z = z (x, y), заданной неявно уравнением F (x, y, z) = 0 , следует продифференцировать это уравне( ние по x , (а для отыскания zy продифференцировать уравнение по y ), учи( тывая, что x, y – независимые переменные, а z − функция от x, y .

Линеаризовать в окрестности точки (1; 1) неявную функцию z(x, y), определяемую уравнением z3 + y z x y2 x3 = 0 , если z(1; 1) =1.

Решение. Продифференцируем равенство z3 + y z x y2 x3 = 0 сначала по x , затем

по y , учитывая, что x, y – независимые переменные, а z

− функция от x, y :

3z2 z

+ y z′ − y2

3x2 = 0,

3z2 z′ + z + y z

2 x y = 0 .

x

x

 

 

 

 

y

y

 

 

 

 

Отсюда выразим z

и z:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

=

y2 + 3x2

 

, z

= 2 x y z .

 

 

 

 

 

y + 3z2

 

 

 

 

 

x

 

y

y + 3z2

 

 

 

 

Можно применить и другой способ для отыскания z

и

z: в равенстве

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

y

z3 + y z x y2 x3 = 0 вычислить не производные, а дифференциалы:

3z2 dz + (y dz + z dy)(y2dx + 2 x y dy)3x2 dx = 0 .

 

Отсюда (3z2 + y)dz = (3x2 + y2)dx + (2 x y z )dy,

dz = 3x2 + y2

dx + 2 x y z dy .

 

 

 

 

 

 

 

3z2 + y

 

 

3z2 + y

Сравнивая последнее равенство с тем, что dz = z

dx + zdy , снова получим

 

 

 

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

z

=

y2 + 3x2

 

, z

= 2 x y z .

 

 

 

 

 

y + 3z2

 

 

 

 

 

x

 

y

y + 3z2

 

 

 

 

При x = y = z =1 имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z′ = 1, z′ = 1 / 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

Воспользуемся формулой (3.7): f (x, y) f (x0, y0) + fx(x0, y0) (x x0) + fy(x0, y0) (y y0) . Тогда в окрестности точки (1; 1) неявная функция z(x, y), определяемая уравне( нием z3 + y z x y2 x3 = 0 , приближенно равна z(x, y) 1+ (x 1)+ 41(y 1).

19

Пусть задана система k уравнений с n + k неизвестными

 

 

F1(x1, x2 ,..., xn , y1, y2 ,..., yk ) = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

........................................................

(3.16)

 

 

Fk (x1, x2 ,..., xn , y1, y2 ,..., yk )= 0.

 

Из k

уравнений выразим k неизвестных y1, y2 ,..., yk

через остальные неизвест(

 

 

y1 = y1(x1, x2 ,..., xn ),

 

ные

x1, x2 ,..., xn :

 

......................................

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yk = yk (x1, x2 ,..., xn ).

 

Полученные k функций называют неявными функциями, определяемыми си( стемой (3.16). Для формулировки условий существования этих функций введем следующий определитель, называемый определителем Якоби или

F1

...

F1

 

 

D(F1, ..., Fk )

y

y

 

 

1

 

 

k

 

=

..................

 

 

 

.

Fk

...

Fk

 

D(y1,..., yk )

y

y

k

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Пусть:

1) функции F1(x1, x2 ,..., xn , y1, y2 ,..., yk ), ..., Fk (x1, x2 ,..., xn , y1, y2 ,..., yk ) и их частные

производные непрерывны в окрестности точки M0 (x10 ,..., xn0 , y10,..., yk0),

2) координаты точки M0 удовлетворяют системе (3.16),

D(F1, ..., Fk )

3)якобиан D(y1,..., yk ) отличен от нуля в точке M0 .

Тогда система уравнений (3.16) в окрестности точки M0 имеет единственное решение y1 = y1(x1, x2 ,..., xn ), ..., yk = yk (x1, x2 ,..., xn ) , т.е. определяет неявные функции, причем y1(x10 , x20 ,..., xn0 )= y10 , ..., yk (x10 , x20 ,..., xn0 )= yk0 . Эти неявные функции непрерывны и имеют непрерывные частные производные в окрестно( сти точки (x10 , x20 ,..., xn0 ).

Рассмотрим два частных случая.

1). Система

 

F (x, y, z) = 0,

определяет функции;

 

 

уравнений

G(x, y, z) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если

D(F,G)

≠ 0

,то переменные y, z будут функциями от x ,т.е. y = y(x),

z = z(x);

D(y, z)

 

 

 

 

 

 

если

D(F,G)

≠ 0

,то переменные x, z будут функциями от y ,т.е. x = x(y),

z = z(y);

D(x, z)

 

 

 

 

 

 

если

D(F,G)

≠ 0

,то переменные x, y будут функциями от z ,т.е. x = x(z),

y = y(z).

D(x, y)

 

 

 

 

 

 

20

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]