7. Частные производные и дифференциалы высших порядков.

Пусть производная некоторой функции f дифференцируема. Тогда производная от производной этой функции называется второй производной функции f и обозначается f". Таким образом,

f"(x) = (f'(x))'.

Если дифференцируема (n - 1)-я производная функции f, то ее n-й производной называется производная от (n - 1)-й производной функции f и обозначается f⁽ⁿ⁾. Итак,

f⁽ⁿ⁾(x) = (f^(n-1)(x))',   n ϵ N,   f⁽⁰⁾(x) = f(x).

Число n называется порядком производной.

Дифференциалом n-го порядка функции f называется дифференциал от дифференциала (n - 1)-го порядка этой же функции. Таким образом,

dⁿf(x) = d(d^n-1f(x)),   d⁰f(x) = f(x),   n ϵ N.

Если x - независимая переменная, то

dx = const   и   d²x = d³x = ... = dⁿx = 0.

В этом случае справедлива формула

dⁿf(x) = f⁽ⁿ⁾(x)(dx)ⁿ.

8. Понятие локального экстремума функции нескольких аргументов. Необходимые условия экстремума. Стационарная точка.

Локальный экстремум функции нескольких переменных

Определение и необходимые условия существования локального экстремума

Пусть функция z = f(x, y) определена на множестве {М}, а М0 (x0, у0) — некоторая точка этого множества.

Определение. Функция z = f(x, у) имеет в точке М0 локальный максимум (минимум), если существует такая окрестность точки M0, принадлежащая {М}, что для любой точки М(х, у) из этой окрестности выполняется неравенство f(M) ≤ f(M0) (f(М) ≥ f(М0)); для случая функции трех и более переменных локальный экстремум определяется аналогично.

Согласно данному определению локального экстремума (минимума или максимума) полное приращение функции z = f(M) — f(М0) удовлетворяет одному из условий в окрестности точки M0:

Δz ≤ 0, если M0 — точка локального максимума;

Δz ≥ 0, если M0 — точка локального минимума.

Теперь установим необходимые условия существования локального экстремума.

ТЕОРЕМА 2. Если функция z = f(x, у) имеет в точке M0 (x0, y0) локальный экстремум и частные производные первого порядка, то все эти частные производные равны нулю:

Для случая функции двух и более переменных необходимое условие существования локального экстремума имеет вид, аналогичный (8.10); все частные производные первого порядка должны обращаться в нуль в точке M0.

Следует особо отметить, что условия (8.10) не являются достаточными условиями экстремума. Например, для функции z = х2 — у2 частные производные равны нулю в точке O(0, 0), однако в этой точке функция (которая является уравнением гиперболического параболоида) не имеет экстремума: f(0, 0) = 0, но в любой окрестности точки О есть значения функции как положительные, так и отрицательные.

Точки, в которых выполняются условия (8.10), называются точками возможного экстремума, или стационарными точками.

Рассмотрим случай функции двух переменных z = f(x, y), часто используемый на практике. Обозначим вторые частные производные этой функции  ,  ,  в некоторой точке M0 через а11, a12, a22 соответственно. Тогда достаточное условие локального экстремума формулируется следующим образом.

ТЕОРЕМА 3. Пусть в точке М0(х0, у0) возможного экстремума функции и = f(x, у) и в некоторой ее окрестности все вторые частные производные этой функции непрерывны. Тогда если

то функция и = f(x, y) имеет в точке М0 локальный экстремум: минимум при а11 < 0 и максимум при а11 > 0. Если же а11а22 — a122 ≤ 0, то данная функция не имеет локального экстремума в точке M0.