Matan__teoria
.pdfНапомним, 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
x→0
y→0
тогда lim f (P) = f (P0 ) и функция f (P)
P→ P0
lim |
f (P)− f (P ) |
= 0; |
|
P→P |
|
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 |
|
x→0 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
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 |
|
x→0 |
|
x→0 |
|
x→0 |
|||
|
|
|
|
|
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) = ϕ′x x +ϕ′y y =1 x + 0 y d x = x, |
|
|||||
|
d y = dψ (x, y) =ψ′ x +ψ′ y = 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 x−2 |
|
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 |
|
|
|
|
|
|
|
= ( fx′ x + fy′ y)′ x + |
( fx′ x + fy′ y)′ 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 |
|
∂x∂y |
∂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 n−1 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 |
|
∂x∂y2 |
|
∂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′ = z′x x′t + z′y y′t . |
(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 = z′x x + z′y 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: z′t = z′x x′t + z′y y′t + 0 x′t + 0 y′t = z′x x′t + z′y y′t .
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
|
|
|
z′x |
= z′u u′x + z′v v′x |
. |
|
|
|
|||
|
|
|
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
|
|
∂z |
|
|
|
|
|
∂z |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
∂ z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′ |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Решение. Так как |
∂x = 2x , |
|
∂y |
= |
3y |
|
, |
|
|
∂t |
= (arctgt) |
= |
1+ t2 |
, то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
dz |
=2x cost+3y2 (−sint)+ |
|
1 |
|
|
=2sint cost−3cos2t 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 = fu′ 2 x y + |
fv′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y |
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
= 2 y fu′ + ( fuu′′ u′x + fuv′′ v′x) 2 x y + ( fvu′′ u′x + fvv′′ v′x) |
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 = fx′ d x + fy′ d y, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3.12) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
d2z = d (d z) = d ( fx′ d x + fy′ d 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 = Ft′d t = ( fx′ x′t + fy′ y′t )d t = fx′ (x′t d t)+ fy′ (y′t d t)= fx′ d x + fy′ d 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 = x′ d t, |
d y = y′ d 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 1− x3 , 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 = xɶ− y и построим графики функ( |
Рис. 6 |
||||||||
ций ϕ (y) = e xɶ y, ψ (y) = xɶ− y |
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 y− x + 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 = − |
1− x2 − y2 , определенную в круге x2 + y2 ≤1 , или две функ( |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ции x = 1− z2 − y2 , |
x = − |
|
1− z2 − y2 , определенные в круге |
z2 + y2 ≤1 , или две |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
функции y = 1− x2 − z2 , |
y = − 1− x2 − 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 z′x функции z = z (x, y), заданной неявно уравнением F (x, y, z) = 0 , следует продифференцировать это уравне( ние по x , (а для отыскания z′y 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 + z′ dy , 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