Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ по теме 4.1 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИЙ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ.pdf
Скачиваний:
138
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
669 Кб
Скачать
☆

Функция

f2 (x, y)= 3 ln5 (1 − x3 y3 )

 

 

симметрична относительно

своих переменных. Поэтому производную

∂f2

 

 

можно получить из

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

производной

∂f2

 

, заменив в ней x

на y , а y

на x .

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

(−3x3 y2 ).

 

 

 

∂f2 = 5 ln 3 (1 − x3 y3 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 − x3 y3

 

 

 

 

 

 

 

 

Складывая

 

∂f1

и

∂f2

 

, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂f

 

tg2

y

ln(cos xy )

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

− y

 

 

 

 

= e

 

 

y

 

 

 

 

 

 

ln cos

xy +

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 tg

 

 

 

 

2 y

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

cos

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ tg

2 y

 

 

 

 

1

(−sin

xy )

 

x

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

cos

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

y

 

 

 

 

 

+

5 ln

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

(1 − x3 y3 )

 

 

 

 

 

 

 

(−3x3 y2 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

1 − x3 y3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оцените абсолютную и относительную погрешности при

вычислении значения функции

z =

x3 + y

в точке

(x, y), если

x =1 ± 0,03 ,

y = 3 ± 0,07 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Справочный материал

 

 

 

 

Модуль абсолютной погрешности

 

 

 

 

при вычислении значения

 

 

 

 

функции z0 = f (x0 , y0 ),

если

 

значения

 

аргументов

x0 и y0

вычислены с

 

погрешностями

x

и

 

 

y ,

не

 

превосходит модуля

значения дифференциала dz , вычисленного в точке (x0 , y0 ) при приращениях x и y , т.е. оценивается неравенством

5

 

 

 

≤

 

∂z

(x0 , y0 )

 

 

 

x

 

+

 

∂z

(x0 , y0 )

 

 

y

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Относительная

погрешность

 

ε

равна отношению модуля

абсолютной погрешности к истинному значению функции z0 , т.е.

 

ε =

 

 

 

 

 

 

или в процентах ε =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

100% .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z0

 

 

 

 

 

z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение задачи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку

x0 =1,

 

 

y0 = 3 ,

 

 

 

x

 

= 0,03,

 

 

 

 

y

 

= 0,07 ,

то,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вычислив

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

= 3x2

 

,

∂z

(1; 3)=

3

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

∂x

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

x3 + y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

=

 

1

 

,

∂z

(1; 3)=

1

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

x3 + y

∂y

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

получим оценку для абсолютной погрешности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

≤

 

3

0,03 + 1

0,07 = 0,04 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку

z0 = f (x0 , y0 )=

13 +3 = 2 ,

 

то

относительная

погрешность ε =

 

 

 

 

 

 

 

≤

0,04 100% = 2% .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Написать формулы для производных ∂u

 

 

 

 

и

 

∂u

 

 

для функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

∂s

 

 

 

 

u = arctg x + y +

 

 

 

 

x2 + y2 cos z , если x = x (s),

y = y (t, s), z = z (t) .

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Справочный материал

 

 

u = u(x, y, z),

 

Если задана функция

трех

 

переменных

 

 

а

переменные x, y и z являются

функциями

независимых

переменных t и s , т.е. x = x(t, s),

y = y(t, s),

z = z(t, s), то

6

функция u является сложной функцией независимых переменных t и s и ее частные производные по этим переменным вычисляются по формулам

∂∂ut = ∂∂ux ∂∂xt + ∂∂uy ∂∂yt + ∂∂uz ∂∂zt ,

∂∂us = ∂∂ux ∂∂xs + ∂∂uy ∂∂ys + ∂∂uz ∂∂zs .

Решение задачи

Поскольку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

=

 

1

 

2

 

1

+ cos z

 

 

1

 

 

 

2x ,

 

∂x

 

 

1 +

x+ y

 

z

 

2

 

x

2

+ y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

=

 

1

 

2

 

1

+ cos z

 

 

1

 

 

 

 

2 y ,

 

∂y

 

 

1 +

x+ y

 

z

 

2

 

x

2

+ y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

=

 

 

1

 

 

 

 

 

 

x + y

x2 + y2 sin z ,

 

∂z

 

x+ y 2

−

z2

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

= 0,

∂z

= 0 , то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

∂s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

y

 

 

 

 

∂y

 

 

=

 

 

 

2

 

+ cos z

 

 

 

 

 

 

+

 

∂t

 

 

 

1 +

x+ y

 

z

 

 

x

2

+

y

2

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x +

y

x2

+ y2

 

 

 

 

dz

.

+

 

 

x+ y 2

−

 

z2

−

sin z

dt

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

x

 

 

 

dx +

 

=

 

 

 

 

 

 

 

+ cos z

 

 

 

 

 

 

∂s

 

 

x+ y 2

 

z

 

 

x

2

+ y

2

 

ds

 

 

 

 

 

1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

y

 

 

 

∂y .

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

+ cos z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x+ y 2

 

z

 

x

2

+ y

2

 

 

∂s

 

 

 

 

 

1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 4

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти

все

 

производные

второго

 

порядка

для

функции

u = x3 y3z4 + z2 y2 x4 +sin(x + y − 2z).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Справочный материал

 

 

 

Для функции трех переменных

u = u(x, y,

z)

определены три

частные производные первого порядка

∂u

(x, y, z), ∂u

(x, y, z) и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

∂y

 

∂u (x, y, z)

,

которые

в свою

очередь

являются

функциями

∂z

 

x,

y и z . Следовательно, каждую из них можно снова

переменных

дифференцировать по этим переменным, т.е. вычислять следующие производные второго порядка.

∂2u

=

∂

∂u

∂x2

 

 

 

,

 

 

∂x

∂x

∂2u

=

∂

∂u

 

 

 

 

,

 

 

 

∂y2

 

 

 

 

 

 

∂y

∂y

∂2u

=

∂

∂u

∂z2

 

 

 

,

 

 

 

∂z

∂z

∂2u

=

∂

∂u

∂2u

=

∂

∂u

 

 

 

и

 

 

 

;

∂x∂y

 

∂x∂z

 

 

∂y

∂x

 

∂z

∂x

∂2u

=

 

∂

∂u

 

 

 

 

и

 

 

∂y∂x

 

 

 

 

 

 

 

∂x

∂y

∂2u

=

 

∂

∂u

 

 

 

 

и

∂z∂x

 

 

 

∂x

∂z

 

∂2u

=

 

∂

∂u

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

∂y∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

∂y

 

∂2u

=

 

∂

∂u

 

 

 

 

 

 

;

∂z∂y

 

 

 

∂y

∂z

Если функция u = u(x, y, z) непрерывна, то смешанные производные (производные по разным переменным) равны, т.е.

8