- •5.1. Дифференцирование функций нескольких переменных
- •Определение 5.1.1
- •Задача 5.1.1
- •Задача 5.1.2
- •Задача 5.1.3
- •Определение 5.1.2
- •Определение 5.1.3
- •Теорема 5.1.1
- •Определение 5.1.4
- •Задача 5.1.4
- •Определение 5.1.5
- •Определение 5.1.6
- •Определение 5.1.7
- •Определение 5.1.8
- •Определение 5.1.8
- •Задача 5.1.5
- •Задача 5.1.6
- •Определение 5.1.9
- •Определение 5.1.10
- •Задача 5.1.7
- •Определение 5.1.11
- •Задача 5.1.8
- •Решение
- •Определение 5.1.12
- •Задача 5.1.9
- •Задача 5.1.10
- •Задача 5.1.11
- •Определение 5.1.13
- •Определение 5.1.14
- •Теорема 5.1.1
- •Доказательство
- •Определение 5.1.15
- •Определение 5.1.16
- •Задача 5.1.12
- •Теорема 5.1.2
- •Теорема 5.1.3
- •Определение 5.1.17
- •Определение 5.1.18
- •Задача 5.1.13
- •Решение
- •Задача 5.1.14
- •Решение
- •Задача 5.1.15
- •Решение
- •Теорема 5.1.4
- •Доказательство
- •Теорема 5.1.5
- •Задача 5.1.16
- •Решение
- •5.1.5. Дифференцируемая функция. Условия дифференцируемости
- •Определение 5.1.19
- •Теорема 5.1.6. (Необходимое условие дифференцируемости)
- •Доказательство
- •Следствие 1
- •Следствие 2
- •Задача 5.1.17
- •Теорема 5.1.7. (Достаточное условие дифференцируемости).
- •Доказательство
- •5.1.6. Производная сложной функции. Полная производная
- •Теорема 5.1.8
- •Доказательство
- •Задача 5.1.18
- •Решение
- •Следствие 1
- •Задача 5.1.19
- •Решение
- •Задача 5.1.20
- •Решение
- •5.1.8. Определение дифференциала функции нескольких переменных и его свойства. Инвариантность формулы дифференциала
- •Определение 5.1.20
- •Задача 5.1.21
- •Решение
- •Теорема 5.1.9
- •Задача 5.1.22
- •Решение
- •5.1.9. Геометрический смысл дифференциала функции двух переменных. Уравнение касательной плоскости и нормали к поверхности.
- •Теорема 5.1.9
- •Доказательство
- •Следствие 1
- •Следствие 2
- •Задача 5.1.23
- •Решение
- •5.1.10. Приближенные вычисления и оценка погрешностей
- •Задача 5.1.23
- •Решение
- •Определение 5.1.21
- •Теорема 5.1.10
- •Задача 5.1.24
- •Решение
- •Определение 5.1.22
- •Теорема 5.1.11
- •Доказательство
- •Задача 5.1.25
- •Решение
- •Задача 5.1.26
- •Решение
- •5.1.12. Неявная функция. Дифференцируемость неявной функции. Формула для частных производных функции двух переменных, заданной неявно.
- •Определение 5.1.23
- •Теорема 5.1.12
- •Доказательство
- •Задача 5.1.27
- •Решение
- •Задача 5.1.28
- •Решение
- •Задача 5.1.29
- •Решение
- •Определение 5.1.23
- •Теорема 5.1.13
- •Задача 5.1.30
- •Решение
- •5.1.13. Градиент и производная по направлению
- •Определение 5.1.24
- •Задача 5.1.31
- •Решение
- •Определение 5.1.25
- •Теорема 5.1.14
- •Доказательство
- •Свойства градиента
- •Доказательство
- •Доказательство
- •Доказательство
- •5.1.15. Геометрический смысл дифференциала функции двух переменных. Уравнение касательной плоскости и нормали к поверхности
- •Теорема 5.1.14
- •Следствие 1
- •Следствие 2
- •Задача 5.1.32
- •5.2. Экстремумы функций нескольких переменных
- •5.2.1. Линейные операторы. Матрица линейного оператора
- •Определение 5.2.1
- •Задача 5.2.1
- •Решение
- •Задача 5.2.2
- •Решение
- •5.2.2. Собственные числа и собственные векторы матрицы
- •Определение 5.2.2
- •Задача 5.2.3
- •Решение
- •5.2.3. Квадратичные формы
- •Определение 5.2.3
- •Определение 5.2.4
- •Задача 5.2.4
- •Решение
- •5.2.4. Экстремум функции двух переменных
- •Определение 5.2.5
- •Определение 5.2.6
- •Теорема 5.2.1
- •Доказательство
- •Следствие
- •Определение 5.2.7
- •Теорема 5.2.2
- •Доказательство
- •Задача 5.2.5
- •Теорема 5.2.3
- •Доказательство
- •Задача 5.2.6
- •Решение
- •5.2.5. Экстремум функций n переменных
- •Необходимое условие экстремума
- •Достаточные условия экстремума
- •Задача 5.2.7
- •Решение
- •5.2.6. Условный экстремум
- •Необходимое условие экстремума
- •Достаточные условия экстремума
- •5.2.7. Условный экстремум функции двух переменных
- •5.2.8. Наименьшее и наибольшее значения функции нескольких переменных
- •Теорема 5.2.4
- •Задача 5.2.8
- •Решение
- •Задача 5.2.9
- •Решение
Вычислим частные производные второго порядка |
∂2 z |
= 6x , |
∂2 z |
= 6y , |
∂ |
2 z |
= −9 . |
|||||||||||||
∂x2 |
∂y2 |
∂x∂y |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
(0,0): |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Для первой |
стационарной точки |
|
A = C = 0, |
B = −9 |
. |
Дискриминант |
||||||||||||||
D = AC − B2 = −81 < 0 . Значит, в |
этой |
точке нет экстремума. |
Для |
точки (3,3): |
||||||||||||||||
A = C =18 , |
|
B = −9 . Дискриминант |
D = 324 −81 > 0 , а так как A > 0 , то это точка |
|||||||||||||||||
минимума. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5.2.5. Экстремум функций n переменных |
|
|
|
M0 (x10, x20,..., xn0 ) – |
|||||||||||||
Пусть функция |
f (x1, x2 ,..., xn ) определена в области |
D Rn , а |
||||||||||||||||||
внутренняя |
точка |
этой области. Точка M 0 |
называется |
точкой минимума |
функции |
|||||||||||||||
f (x1, x2 ,..., xn ), если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
• |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uδ(M0 ): M (x1, x2 ,..., xn ) U δ(M0 ) f (M )> f (M0 ). |
|
|
|
|
|||||||||||||
Пусть функция |
f (x1, x2 ,..., xn ) определена в области |
D Rn , а |
M0 (x10, x20,..., xn0 ) – |
|||||||||||||||||
внутренняя |
точка |
этой области. Точка M 0 |
называется |
точкой минимума |
функции |
|||||||||||||||
f (x1, x2 ,..., xn ), если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
• |
|
(M )< f (M0 ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Uδ(M0 ): M (x1, x2 ,..., xn ) U δ(M 0 ) f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Необходимое условие экстремума |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Если функция |
f (x1, x2 ,..., xn ) дифференцируема в окрестности точки M0 (x10, x20,..., xn0 ) |
|||||||||||||||||||
и имеет в этой точке экстремум (максимум или минимум), |
то |
|
∂f |
(M0 )= 0 , |
при всех |
|||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂xi |
|
|
|
|
|
||
i =1, 2, ..., n . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Достаточные условия экстремума |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Если M0 |
(x10, x20,..., xn0 ) – стационарная точка дважды дифференцируемой функции |
|||||||||||||||||||
f (x1, x2 ,..., xn ) и если в некоторой окрестности этой точки второй дифференциал |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
n |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
d 2 f (M0 ) |
= ∑ |
∂ f |
|
(M0 ) dxi dx j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
∂x ∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
i, j=1 |
i |
|
j |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
сохраняет знак при любых значениях dxi |
и |
dx j , не равных нулю одновременно, то |
||||||||||||||||||
функция в точке M0 имеет экстремум. При этом если d 2 f (M0 )> 0 , |
то этот экстремум |
|||||||||||||||||||
минимум. Если d 2 f (M0 )< 0 , то это максимум.
Задача 5.2.7
Исследовать на экстремум функцию w = x4 + y2 + z2 − 2z .
Решение
Функция дифференцируема на всей плоскости. Стационарные точки определяются из
|
∂w |
= 4x3 = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
∂x |
|
|
|
|
|
|
системы |
∂w |
= 2 y = 0 , из которой видно, что единственная |
стационарная точка |
||||
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
|
∂w |
= 2z − 2 = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
∂z |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
M0 (0; 0;1). Вычислим все частные производные второго порядка: |
∂2w |
=12x2 , |
∂2w |
= 2 , |
|||
|
|
|
|
∂x2 |
|
∂y2 |
|
44
