Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Функции нескольких переменных.pdf
Скачиваний:
151
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
716 Кб
Скачать
☆

Решение

Так как F(x, y, z)= xz + z cos(xy), то функция дифференцируема во всех точках, за

исключением

тех, в

которых

∂F

= 0 .

∂F

 

= −

x

 

+ cos(xy),

следовательно,

функция

∂z

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дифференцируема везде,

где выполняется условие −

 

 

 

+ cos(xy)≠ 0 . Учитывая, что

 

z2

 

 

∂F

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1

−sin(xy) zy

и

 

= −sin(xy) zx , можно записать

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z = −

 

 

1

 

−sin(xy)zy

;

∂z

= −

−sin(xy)zx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

−

x

+cos(xy)

∂y

 

 

−

x

+cos(xy)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2.

Производные неявных функций, заданных системой уравнений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определитель Якоби

 

 

 

 

 

 

Пример 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

= −у

 

∂u

∂u

 

 

 

 

u(x, y)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ху+и

 

 

 

 

 

 

Функции

и

w(x, y) заданы системой

 

 

 

 

 

2

 

. Вычислить

∂x

, ∂y ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uw + y

 

 

 

 

 

 

 

∂w

и ∂w .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

Продифференцируем оба уравнения системы по

 

y + 2u

∂u

= 0

 

 

 

2u

∂u

= −y

 

 

∂x

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

,

или

 

 

 

 

 

. Решая

∂u

 

∂w

 

 

∂u

 

 

 

∂w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x w +u ∂x = 0

∂x

w

+u ∂x = 0

 

 

 

 

неизвестных

∂u

и

∂w

, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

переменной x . Получим

эту систему относительно

 

 

 

 

 

− y

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

− y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

=

 

 

0

u

 

 

= − yu

= −

y

;

∂w

=

 

 

 

w 0

 

 

=

yw

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

2u 0

 

 

 

2u

∂x

 

 

 

2u 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u 2

 

 

 

 

 

w

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

u

 

 

 

 

 

 

Теперь продифференцируем оба уравнения системы по переменной y . Получим

 

 

x + 2u

∂u

= −1

 

 

∂y

 

 

 

 

 

∂u

 

∂w

 

 

 

w +u

 

+ 2 y

 

∂y

∂y

 

 

 

 

 

 

2u

∂u

= −x −1

 

 

 

 

∂y

 

, или

 

 

 

 

 

 

. Если решить эту систему

 

∂u

 

 

 

∂w

 

= 0

 

w

+u

= −2 y

 

 

 

 

 

∂y

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u ∂w

относительно производных ∂y и ∂y , то формулы для них будут иметь вид

 

 

 

 

− x −1 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u − x −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

=

 

 

− 2 y u

 

 

= − xu −u

= −

x +1

,

∂w

=

 

 

w − 2 y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

2u 0

 

 

 

2u

∂y

 

 

 

2u 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w u

 

 

 

= − 4 yu + xw + w .

2u2

31

Из полученных формул для частных производных ∂u ,

∂u ,

∂w

и ∂w

видно, что

неявные функции u(x, y)

 

 

 

 

∂x

∂y

∂x

∂y

 

 

и w(x, y) не являются дифференцируемыми

в точках,

в

 

 

 

 

 

 

2u

0

 

= 0 , или

u = 0 . Такой

определитель

называется

которых определитель

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

u

 

 

 

 

 

 

 

 

определителем Якоби.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x, y, u, w)= 0

 

Если неявные функции

u(x, y) и w(x, y)

заданы системой

F1

то

F

(x, y,u, w)= 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

определитель I =

 

∂F1 ∂F1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂∂Fu

 

 

 

∂∂Fw

называется определителем Якоби.

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

∂w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Имеет место следующая теорема, которая легко обобщается на случай большего

числа переменных.

 

 

 

 

Теорема

(x, y, u, w)= 0

 

 

 

F

 

F1 (x, y, u, w) и

F2 (x, y, u, w)

Если задана система 1

(x, y,u, w)= 0

, где

F2

 

 

 

непрерывные

и дифференцируемые по всем переменным

 

в

окрестности

 

точки

M 0 (x0 , y0 ,u0 , w0 ),

являющейся решением

системы,

функции

 

и

если

в

точке

M 0

 

 

I =

 

∂F1 ∂F1

 

≠ 0 , то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x, y) и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

определитель

Якоби

 

∂∂Fu

 

 

 

∂∂Fw

 

 

 

система

определяет

функции

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w(x, y), которые являются

 

∂u

 

 

 

∂w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дифференцируемыми в точке M 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

− w

2

+ x

2

+ y

2

= 0

 

 

Определите, при каком условии система уравнений

u

 

 

 

 

задает

 

 

uw + xy = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

дифференцируемые функции u(x, y) и w(x, y), и вычислите du ,

dw и d 2u .

 

 

 

Решение

Вычислим определитель Якоби

I = 2wu −u2w = 2u 2 + 2w2 . Поскольку I = 0 только

при u = w = 0 , то во всех точках, кроме начала координат заданная система определяет две неявные дифференцируемые функции u(x, y) и w(x, y).

Теперь вычислим du , дифференцируя оба уравнения системы

d(x2

+ y2 +u2 − w2 )= 0

, или

 

d(uw + xy)= 0

 

 

2xdx + 2 ydy + 2udu − 2wdw = 0u dw + w du + dx y + dy x = 0

(1),

2udu − 2wdw = −2xdx − 2 ydyw du +u dw = −y dx − x dy .

Решая последнюю систему относительно du , получим

32