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
☆

Задача 8

Вычислить ∂u ,

∂u

, ∂v

и ∂v

для функций u (x, y ) и v (x,

y ),

∂x

∂y

∂x

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ux +vy = x

 

.

 

 

 

 

 

заданных параметрически системой

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uy − vx = y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Справочный материал

 

 

 

 

 

 

Для определения частных производных ∂u

,

∂u

,

∂v

и

∂v

из

 

 

 

 

∂x

 

∂y

 

∂x

 

∂y

 

заданной системы следует:

1.Последовательно продифференцировать оба уравнения системы по переменной x , а затем по переменной y .

2. Полученные линейные относительно неизвестных

∂u

,

∂u

,

 

 

 

 

∂x

 

∂y

 

∂v

и

∂v

системы решить по формулам Крамера

(см.

∂x

 

∂y

 

 

 

 

 

приложение).

Решение задачи

1.Продифференцируем оба уравнения системы по переменной x .

Получим систему относительно неизвестных

∂u

и

∂v .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

∂x

∂u

x + u + y

∂v

= 2x

 

 

∂u

+ y

∂v

= 2x −u

 

∂x

∂x

 

x

∂x

∂x

 

 

∂v

 

 

, или

 

 

 

 

.

 

∂u

y −

x

− v = 0

 

 

∂u

− x

∂v

= v

 

 

∂x

∂x

 

y

∂x

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Теперь продифференцируем оба уравнения системы по

∂u

переменной y . Получим систему относительно неизвестных ∂y

∂v

и ∂y .

13

∂u

x +v + y

∂v

=

 

∂y

∂y

 

 

 

 

∂u

y + u − ∂v x =

 

 

∂y

∂y

 

 

 

0

 

∂u

+ y

∂v

= −v

x

∂y

∂y

, или

 

 

.

 

∂u

− x ∂v

2 y

y

= 2 y −u

 

 

∂y

 

∂y

 

 

 

 

 

3.Для решения полученных систем используем формулы Крамера. Определители этих систем равны и вычисляются по правилу

=

x

y

= −x2 − y2 .

 

y

− x

 

Вспомогательные определители первой системы равны

1 =

 

2x − u

y

 

= −2x2 + ux − yv ,

 

 

 

 

 

 

v

− x

 

 

2

=

 

x

2x − u

 

= xv − 2xy + uy .

 

 

 

 

 

 

y

 

v

 

 

Теперь найдем решение первой системы, используя формулы Крамера

 

 

 

 

∂u

=

− 2x2 + ux − vy

=

2x2

− ux + vy

;

 

 

 

 

∂x

 

− x2 − y2

 

 

x

2 + y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

=

− 2xy + vx + uy

= 2xy − uy − vx .

 

 

 

 

∂x

 

 

 

− x2 − y2

 

 

 

 

x2 + y2

 

 

 

 

Вспомогательные определители второй системы равны

1

=

 

− v

y

 

= vx − 2 y2 + uy ,

2

=

 

x

− v

 

= 2xy − ux + vy .

 

 

 

 

 

 

 

2 y − u − x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 2 y − u

 

 

 

 

 

 

 

Решение второй системы имеет вид:

 

 

 

 

∂u

=

vx −2 y2 +uy

=

2 y2 −vx −uy

;

 

 

 

 

 

∂y

− x2 − y2

 

x2

+ y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

 

=

2xy −ux + vy

= ux −vy −2xy .

 

 

 

 

 

∂y

 

 

− x2 − y2

 

 

x2 + y2

 

 

 

14

Полученные формулы для частных производных имеют смысл при x2 + y2 ≠ 0 . В точке (0, 0) функции u (x, y ) и v (x, y ) не

дифференцируемы.

Задача 9.1

Написать уравнение касательной плоскости и нормали к поверхности, заданной уравнением

z =

5

в точке

M0 (3, − 4,1).

x2 + y2

 

 

 

Задача 9.2

Написать уравнение касательной плоскости и нормали к поверхности, заданной уравнением

x2 − y2 + 4z2 + 2xy − yz − 2 = 0 в точке M0 (1, −1, −1).

Справочный материал

Если поверхность задана явным уравнением z = f (x, y), то уравнения касательной плоскости и нормали к этой поверхности в точке M0 (x0 , y0 , f (x0 , y0 )) имеют вид:

z= z0 + ∂∂xz (x0 , y0 )(x − x0 )+ ∂∂yz (x0 , y0 )(y − y0 )

-уравнение касательной плоскости;

 

x − x0

 

=

y − y0

 

= z − z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

(x0 , y0 )

 

∂z

(x0 , y0 )

−1

 

∂x

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

-канонические уравнения нормали.

Вэтих уравнениях z0 = f (x0 , y0 ) - значение функции f (x, y) в

точке касания.

Если поверхность задана неявно зависимостью F(x, y, z)= 0 , то

уравнения касательной

и

нормали к этой поверхности в точке

M0

(x0 , y0 , z0 ) имеют вид:

 

 

 

 

 

∂F

(M0 )(x − x0 )+

∂F

(M0 )(y − y0 )+

∂F

(M0 )(z − z0 )= 0 ,

 

 

 

∂y

 

 

 

∂x

 

∂z

15

- уравнение касательной;

 

x − x0

 

=

 

y − y0

 

=

 

z − z0

 

- уравнения нормали.

 

 

 

 

 

 

 

∂F

(M0 )

 

 

∂F

(M0 )

 

 

∂F

(M0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

∂y

 

 

∂z

 

Решение задачи 9.1

Поверхность задана явным уравнением z = f (x, y). Частные производные имеют вид

 

∂z

 

 

∂

 

 

(x2

+ y2 )−

1

 

 

 

5

 

(x2 + y2 )−

3

 

 

 

 

 

− 5x

 

 

=

 

 

5

 

 

 

 

= −

 

 

 

2x =

 

 

 

2

 

2

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

(x2 + y2 )3

 

∂x ∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

∂

 

 

 

(x2

+ y2 )−

 

1

 

 

5

(x2 + y2 )−

 

3

 

 

 

 

 

− 5y

 

 

=

 

 

5

 

 

 

 

 

= −

 

 

2 y =

 

 

 

 

 

2

 

 

2

.

 

 

 

 

 

 

(x2 + y2 )3

 

∂y ∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Значения частных производных в точке (3,− 4) равны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

(3, −4)=

 

 

−3 5

= −

15

 

= − 3

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9 +16)3

 

125

25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

(3, −4)

=

 

 

 

4 5

=

20

 

= 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9 +16)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

125

25

 

 

 

Уравнение касательной плоскости

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z −1 = −

3

 

(x −3)+

 

4

(y + 4), 3x −4 y +25z −50 = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнения нормали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x −3

 

=

y +4

=

z −1

,

x −3

=

 

y + 4

=

z −1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

3

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

−1

−3

 

 

 

 

4

 

 

−25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

 

 

 

25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение задачи 9.2

Поверхность задана неявно уравнением F(x, y, z)= 0 , где

F (x, y, z)= x2 − y2 + 4z2 + 2xy − yz − 2 .

Частные производные имеют вид

16