- •Геометрическое изображение функции двух переменных.
- •Линии и поверхности уровня.
- •Предел и непрерывность функции нескольких переменных.
- •Свойства пределов и непрерывных функций.
- •Частные производные.
- •Геометрическая интерпретация частных производных функции двух переменных.
- •Применение дифференциала к приближенным вычислениям.
- •Дифференцирование сложных функций.
- •Инвариантность формы дифференциала.
- •Дифференциалы высших порядков.
- •Свойства дифференциалов высших порядков.
- •Касательная плоскость и нормаль к поверхности. Геометрический смысл дифференциала. Формула Тейлора для функции нескольких переменных. Производная функции по направлению. Градиент и его свойства.
- •Формула Тейлора для функции нескольких переменных
- •Производная по направлению. Градиент.
- •Свойства градиента.
- •Экстремумы функций нескольких переменных. Необходимое условие экстремума. Достаточное условие экстремума. Условный экстремум. Метод множителей Лагранжа. Нахождение наибольших и наименьших значений.
- •Условный экстремум.
- •Нахождение наибольших и наименьших значений.
Формула Тейлора для функции нескольких переменных
Как известно, функцию F(t) при условии существования ее производных по порядок n+1 можно разложить по формуле Тейлора с остаточным членом в форме Лагранжа (см. формулы (21.7), (21.11) первой части курса). Запишем эту формулу в дифференциальной форме:
(4.3)
где
В этой форме формулу Тейлора можно распространить на случай функции нескольких переменных.
Рассмотрим функцию двух переменных f(x, y), имеющую в окрестности точки (х0 , у0) непрерывные производные по (n + 1)-й порядок включительно. Зададим аргументам х и у некоторые приращения Δх и Δу и рассмотрим новую независимую переменную t:
(0 ≤ t ≤1). Эти формулы задают прямолинейный отрезок, соединяющий точки (х0 , у0) и (х0 + Δх, у0 + Δу). Тогда вместо приращения Δf (x0 ,y0) можно рассматривать приращение вспомогательной функции
F(t) = f (x0 + t Δx, y0 + tΔy) , (4.4)
равное ΔF (0) = F (1) – F (0). Но F (t) является функцией одной переменной t, следовательно, к ней применима формула (4.3). Получаем:
.
Отметим, что при линейной замене переменных дифференциалы высших порядков обладают свойством инвариантности, то есть
Подставив эти выражения в (4.3), получим формулу Тейлора для функции двух переменных:
, (4.5)
где 0<θ<1.
Замечание. В дифференциальной форме формула Тейлора для случая нескольких переменных выглядит достаточно просто, однако в развернутом виде она весьма громоздка. Например, даже для функции двух переменных первые ее члена выглядят так:
Производная по направлению. Градиент.
Пусть функция u = f (x, y, z) непрерывна в некоторой области D и имеет в этой области непрерывные частные производные. Выберем в рассматриваемой области точку M(x,y,z) и проведем из нее вектор S, направляющие косинусы которого cosα, cosβ, cosγ. На векторе S на расстоянии Δs от его начала найдем точку М1(х+Δх, у+Δу, z+Δz), где
Представим полное приращение функции f в виде:
где
После деления на Δs получаем:
.
Поскольку предыдущее равенство можно переписать в виде:
(4.6)
Определение 4.3. Предел отношения приназываетсяпроизводной от функции u = f (x, y, z) по направлению вектора S и обозначается .
При этом из (4.6) получаем:
(4.7)
Замечание 1. Частные производные являются частным случаем производной по направлению. Например, при получаем:
.
Замечание 2. Выше определялся геометрический смысл частных производных функции двух переменных как угловых коэффициентов касательных к линиям пересечения поверхности, являющейся графиком функции, с плоскостями х = х0 и у = у0. Аналогичным образом можно рассматривать производную этой функции по направлению l в точке М(х0 , у0) как угловой коэффициент линии пересечения данной поверхности и плоскости, проходящей через точку М параллельно оси Oz и прямой l.
Определение 4.4. Вектор, координатами которого в каждой точке некоторой области являются частные производные функции u = f (x, y, z) в этой точке, называется градиентом функции u = f (x, y, z).
Обозначение: grad u = .