Основные определения. Частные производные. Дифференциалы.
Представление о функции нескольких переменных могут дать простые примеры. Площадь прямоугольника S = xy. Если длины сторон х и у рассматривать как независимые переменные, то S – функция этих переменных. Площадь треугольника 
(х и у – стороны треугольника, j – угол между ними) можно рассматривать как функцию трех независимых переменных.
Если каждой паре значений независимых друг от друга переменных величин х и у из некоторой области D соответствует определенное значение величины z, говорят, что z есть функция независимых переменных х и у, определенная в области D. Символическая запись: z = f(x, y), j(x, y) и т.д.
Областью определения D функции называют совокупность значений х и у, при которых функция z = f(x, y)существует. Геометрически это некая совокупность точек плоскости хОу, в простейшем случае часть ее, ограниченная замкнутой кривой (точки этой линии могут принадлежать (замкнутая), или не принадлежать (открытая) области определения). Геометрическое представление функции z = f(x, y) – поверхность в трехмерном пространстве. (Простейший случай – плоскость, уравнение которой можно представить в виде: z = py + qx + t, (см. (1.54)).
Аналогично определяется функция произвольного числа переменных (исключая вопрос о геометрической интерпретации). Далее, без потери общности, будем рассматривать функцию двух переменных.
Наглядное представление о геометрической интерпретации функций двух и трёх независимых переменных z=f(x,y) и u=f(x,y,z) могут дать линии и поверхности уровня соответственно. Линией уровня функции z=f(x,y) называется линия f(x,y) = с на плоскости хОу, в точках которой функция сохраняет постоянное значение. Примеры: линии уровня на географических картах, позволяющие получить представление о рельефе местности, изобары и изотермы в физике и метеорологии и т.д.
Поверхностью уровня функции u=f(x,y,z)называется поверхность f(x,y,z)=с, в точках которой функция сохраняет постоянное значение u = с. Позволяют, например, получить представление о распределении (поле) температур в части пространства (материальном теле).
Если одной из независимых переменных дать некоторое приращение, то, в общем случае, получит приращение и функция. Величины: Dxz = f(x + Dx, y) – f(x, y) и Dуz = f(x, у +Dy) – f(x, y) называют частными приращениями функции.
Величина Dz = f(x + Dx, y + Dy) – f(x, y)(обе независимых переменных получают приращения Dх и Dу) называется полным приращением.
Окрестностью радиуса r точки М0(х0, у0) называют совокупность всех точек (х, у), удовлетворяющих неравенству 
(всех точек, лежащих внутри круга радиуса r с центром в точке М0).
Пусть дана функция z = f(x, y) определенная в области D, и точка М0(х0, у0), лежащая в области D или на ее границе.
Число А называется пределом функции f(x, y) при стремлении точки М(х, у) к точке М0(х0, у0), если для всякого e > 0, найдется такое r > 0, что для всех точек М(х, у), для которых выполняется неравенство ММ0 < r, справедливо неравенство |f(x, y) – A| <e. Символическая запись: 
. Функция z = f(x, y) называется непрерывной в точке М0(х0, у0), если 
, причем точка М(х, у) стремится к точке М0(х0, у0) произвольным образом, оставаясь в области определения функции. Функция, непрерывная в каждой точке некоторой области, непрерывна в области.
Частной производной по х от функции z = f(x, y) называется предел отношения частного приращения Dхz к приращению Dх при Dх ® 0, т.е. 
Аналогично определяется частная производная по у:
Вычисляются производные по каждой переменной с помощью известных уже приемов, причем другая переменная полагается постоянной.
Рассмотрим полное приращение функции Dz = f(x + Dx, y + Dy) – f(x, y) в предположении, что функция f(x, y) в точке х, у имеет непрерывные частные производные.
Аналогично тому, как это было сделано для функции одной переменной, полное приращение можно представить в виде: 
(1), где g1 и g2 стремятся к нулю, если Dх и Dу стремятся к нулю.
Сумма первых двух слагаемых линейна относительноDх и Dу и при z`x ¹ 0 и z`y ¹ 0 представляет собой главную часть приращения, отличаясь от Dz на бесконечно малую высшего порядка относительно Dх и Dу. Такая функция называется дифференцируемой в данной точке, а линейная часть приращения называется полным дифференциалом и обозначается dz или df.
Таким образом, если функция f(x, y) имеет непрерывные частные производные в данной точке, то она дифференцируема в этой точке и имеет полный дифференциал dz = fх` (x, y) Dx + fу`(x, y) Dy (4.1)
или 
(4.1`), где dx = Dx и dy = Dy называют дифференциалами независимых переменных. Как и в случае функции одной переменной, дифференциал можно применить для приближенного вычисления функции с помощью равенства, легко получаемого из (1):
(4.2)
(с точностью до бесконечно малых высшего порядка относительно Dх и Dу).
Производные сложной и неявной функций
Пусть z = F(u, v), где u = f(x, y) и v = j(x, y). Функция F(u, v) – сложная функция двух независимых переменных. Предположим, что функции F(u, v), f(x,y) и j(x, y) имеют непрерывные частные производные по всем своим аргументам. Можно показать, что в этом случае частные производные от функции F(u, v) по х и у определяются выражениями:
(4.3)
Если функция двух независимых переменных задана уравнением F(x, y) = 0 (2) (неявная функция), причем функции F(x, y), Fx`(x, y) и Fy`(x,y) непрерывны в некоторой r окрестности точки (х, у), координаты которой удовлетворяют уравнению (2), а Fy`(x,y) ¹ 0 в этой точке, то функция у от х имеет производную 
(4.4).
В случае неявной функции трех независимых переменных, заданной уравнением F(x, y, z) = 0 (2`) аналогичные соотношения позволяют найти частные производные функции z(x, y), определяемой уравнением (2`):
(4.4`).
Пример: найти частные производные неявной функции х2 + у2 + z2 – R2 = 0. Используя (4.4`) получим 
.
Производные и дифференциалы высших порядков определяются, по сути, так же, как и для функции одной переменной.
Вторые частные производные (частные производные от частных производных) обозначаются: 
(4.5). 
(4.5`)
(4.5``) 
(4.5```)
В (4.5) функция дважды дифференцируется по х, в (4.5') - сначала по х,потом по у,в (4.5")- сначала по у, потом по х и в (4.5"')- дважды по у.
Аналогично находятся производные высших порядков, обозначаемые 
, где n – номер порядка, р – число дифференцирований по х, а n – p число дифференцирований по у. Отметим, что если функция z = f(x, y) и ее частные производные определены и непрерывны в точке М(х, у) и некоторой ее окрестности, то в этой точке 
.
Это же утверждение, при выполнении соответствующих условий, справедливо для производных любых порядков т.е. 
и для функции любого числа переменных, например 
т.е. смешанные производные, отличающиеся лишь последовательностью дифференцирования, равны между собой, если они непрерывны.
Дифференциалом второго порядка от функции z = f(x, y) называется дифференциал от ее полного дифференциала, т.е.
(4.6).
Аналогично может быть найден дифференциал произвольного порядка
Контрольные вопросы.
1) Что называется линией уровня, поверхностью уровня функции u=f(x,y,z)?
2) Как определяются частные производные функции z=f(x,y)?
3) Что называют полным дифференциалом функции z=f(x,y)?
4) Как находятся производные сложной и неявной функции двух независимых переменных?
5) Что называется дифференциалом второго порядка от функции z=f(x,y)?
Тест 19.
1) Найти построенную область изменения переменных х и у, заданную неравенством 
:
| х |
| у |
| х |
| у |
| х |
| у |
а) б) в)
2) Найти предел 
?
а) 3; б) 0; в) 
.
3) Удовлетворяет ли функция 
уравнению 
?
а) нет; б) да.
4.2. Касательная плоскость и нормаль к поверхности. Геометрический смысл полного дифференциала.Пусть поверхность задана уравнением F(x, y, z) = 0. Прямая называется касательной к поверхности в точке М0(х0, у0, z0), если она является касательной к какой – либо кривой, лежащей на поверхности и проходящей через точку М0. Если в точке М0 все три производные Fx`, Fy`, Fz` равны нулю или хотя бы одна из них не существует, то точка М0 называется особой точкой поверхности. Если в точке М0 все три производные существуют и непрерывны, причем хотя бы одна из них отлична от нуля, то точка М0 называется обыкновенной точкой поверхности. Можно показать, что все касательные прямые к данной поверхности в ее обыкновенной точке лежат в одной плоскости, называемой касательной плоскостью к поверхности в точке М0. (В особых точках поверхности касательная плоскость может не существовать).
Касательная плоскость перпендикулярна вектору 
и её уравнение имеет вид Fx`(x - x0) + Fy`(y - y0) + Fz`(z -z0) = 0 (4.7).
Если уравнение поверхности задано в виде z = f(х, y), то уравнение касательной плоскости примет вид: z - z0 = fx`(x - x0) + fy`(y - y0) (4.7`).
Прямая, проведенная через точку М0(х0, у0, z0) поверхности перпендикулярно касательной плоскости, называется нормалью к поверхности. Ее направление определяется вектором `Nи канонические уравнения примут вид:
(4.8),
а если уравнение поверхности задано в виде z = f(x, y), то
(4.8`).
| Р → М0; Т/ → T// М → М0; N → T/ |
| Рис. 4.1 |
, где b – угол, образуемый касательной PВ к кривой PТ в точке Р0 с положительным направлением оси Оу. Аналогично, 
, где a – угол, образуемый касательной к сечению поверхности z = f(x, y)плоскостью у = у0 с положительным направлением оси Ох. Если в (4.7') положим х –х0 =Dх, у – у0 = Dу, то оказывается, что правая часть ее – полный дифференциал функцииz = f(x, y)иz – z0 = dz, т.е. полный дифференциал функции двух переменных в точке М(х, у), соответствующий приращениям Dх и Dу независимых переменных х и у, равен соответствующему приращению аппликаты z плоскости касательной к поверхности z = f(x, y).
Контрольные вопросы.
1) Какая точка называется особой точкой поверхности?
2) Какая плоскость называется касательной к поверхности в точке?
3) Что называется нормалью к поверхности?
4) В чём состоит геометрический смысл частных производных и полного дифференциала функции z=f (x,y)?
Дата добавления: 2016-04-14; просмотров: 772;