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
☆

высокого порядка, чем ρ =

x2 + y2 . Следовательно, функция z = f (x, y)

дифференцируема в точке M 0 .

2.3. Производная сложной функции. Полная производная

Теорема 1

Пусть на множестве D Rn задана дифференцируемая по переменным x1, x2 ,..., xn

функция

w = f (x1, x2 ,..., xi ,..., xn )

и

функции

x1 = x1 (v1, v2 ,..., vn ),

x2 = x2 (v1, v2 ,..., vn ),…,

xn = xn (v1, v2 ,..., vn )

в

свою

очередь

являются

дифференцируемыми функциями m независимых переменных v1, v2 ,..., vm . Тогда функция w является сложной дифференцируемой функцией независимых переменных v1, v2 ,..., vm и частные производные от функции w по этим переменным равны:

 

 

∂w

 

 

n

 

 

∂w

 

 

∂x

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, где

 

j = 1,2,..., m .

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v j

∂xi

∂v j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

∂w

 

i

 

 

Из

дифференцируемости

 

функции

 

 

w

 

 

следует, что

 

w = n

 

x

+ θ(ρ),

где

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ =

∑( xi )2 . Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w

 

 

 

n

 

 

∂w

 

 

 

x

i

 

 

θ(ρ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v j

 

 

 

 

 

 

 

v j

 

 

v j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1 ∂xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В

последнем равенстве

перейдем

 

 

к пределу

при

 

v j → 0,

зафиксировав

все

остальные переменные vk . Получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v j

w

 

n

∂w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v j xi

 

 

 

 

θ(ρ)

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

 

=

∑

 

 

 

 

lim

 

 

 

 

 

+ lim

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

∂xi

 

 

 

 

v j

 

v j

 

 

 

 

 

 

 

v j

i=1

 

 

v j

→0

 

 

 

v j

→0

 

 

 

 

 

 

v j →0

Из дифференцируемости функций x1, x2,..., xn по переменным v1, v2,..., vm следует

существование конечных пределов lim

v j

xi

=

∂x

i

, а также непрерывность функций

v j

 

 

 

 

∂v j

v j →0

 

 

 

 

x1, x2,..., xn . Из непрерывности функций

x1, x2,..., xn следует, что v j xi → 0 при

v j → 0 для всех i = 1,2,...n . При этом из дифференцируемости функций x1, x2,..., xn

следует также, что θ(ρ) является бесконечно малой более высокого порядка, чем

v j и,

 

 

θ(ρ)

 

 

w

 

∂w

n

∂w

 

∂x

 

 

 

значит,

lim

 

 

= 0 .

Следовательно, lim

 

 

=

 

 

= ∑

 

 

i

, при

всех

v

 

v

 

∂v

 

∂x

 

 

v j →0

j

 

 

j

 

j

i=1

 

∂v

j

 

 

 

 

 

v j →0

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j = 1,2,..., m . Теорема доказана.

 

 

 

 

 

 

 

 

z = f (x, y), где

В частном

случае,

для сложной функции

двух

переменных

x = x(u, v)

и y = y(u, v), частные производные по независимым переменным u

и v

вычисляются по формулам

18

 

 

 

 

 

 

∂z

=

∂z

∂x

+

∂z

 

 

∂y

 

,

 

∂z

=

∂z

 

∂x

+

 

∂z

 

 

∂y .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

∂v

 

∂v

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

∂x

∂u

∂y

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

∂v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w = 2

xy

 

 

 

 

 

 

 

x = u

 

y =

 

 

u ,

 

z = v2 +3v .

 

 

 

 

 

 

 

 

Задана

сложная

функция

 

z

 

, где

,

 

 

 

Вычислите

 

 

 

 

 

 

∂w

 

 

∂w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

частные производные

 

∂u

и

∂v .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя формулу производной сложной функции

 

∂w

=

∂w

 

 

∂x

 

+

 

∂w

 

∂y

+

 

∂w

 

∂z

 

 

 

∂u

 

 

 

 

∂u

 

 

∂u

 

∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂w

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и вычислив частные производные по переменной x :

= 2

z

 

ln 2

 

,

по переменной

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂w = 2

xy

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂w = −2

xy

ln 2 xy ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y :

z

ln 2

 

,

 

 

и

по переменной

z :

z

 

 

а

также

частные

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

производные от переменных x, y, z по независимым переменным u и v :

 

 

∂x

 

= 1 ,

 

 

 

 

∂u

 

 

 

∂y =

 

1

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

= 0 , получим выражение для частной производной функции

 

2

u

 

 

 

 

 

∂u

 

∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w по переменной u .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂w

 

 

 

 

 

y

 

 

1

 

+ 2

 

ln 2 x

 

1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2 z ln 2

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

2 u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично, выражение для частной производной функции

w

 

 

по

независимой

переменной

 

v

получим,

используя

 

формулу

 

производной

сложной

 

 

функции

∂∂wv = ∂∂wx ∂∂xv + ∂∂wy ∂∂yv + ∂∂wz ∂∂vz , и, вычислив все входящие в нее частные производные

∂∂xv = −vu2 , ∂∂yv = 0 , ∂∂vz = 2v +3 .

 

 

 

 

 

xy

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

∂w

= −2

 

ln 2

y

 

u

− 2

 

ln 2 xy

(2v +3).

 

 

 

 

 

 

z

z

 

 

 

 

 

 

 

 

v2

 

 

 

 

 

 

∂v

 

 

 

z

 

 

z2

 

 

 

 

 

 

Следствие 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если на множестве D Rn задана дифференцируемая по переменным x , x

2

,..., x

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

функция

w = f (x1, x2,..., xi ,..., xn )

 

и

 

если

 

функции

x1 = x1 (t),

x2 = x2 (t),..…, xn = xn (t)

- дифференцируемые функции

независимой переменной t ,

то функция w является сложной дифференцируемой функцией одной переменной t и ее

полная производная по независимой переменной t

равна:

 

dw

n

∂w

 

dx

 

 

= ∑

 

 

 

i .

 

dt

∂x

 

 

i=1

 

dt

 

 

 

i

 

 

 

 

Пример 2

 

функции z = arctg (xy)

 

Найти полную производную по t

от

, если x = t ln t ,

 

 

 

 

 

3 y

 

y = tg3 t .

19

Решение

По формуле полной производной dzdt = ∂∂xz dxdt + ∂∂yz dydt . Тогда

∂z

 

1

 

1

3

y2

∂x

=

 

 

1 + (xy)2 y =

 

,

3 y

1 + (xy)2

 

 

 

 

dx

= ln t +t

1 = ln t

 

 

 

 

dt

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

1

−x 3 y −arctg(xy)

1 y−3

 

 

3xy

−arctg(xy)

 

 

 

1+(xy)2

 

 

 

 

 

=

 

 

 

3

=

1+(xy )2

 

 

 

,

 

 

 

 

3 y2

 

 

 

 

y4

 

∂y

 

 

 

 

 

3 3

 

+1 , dy

= 3tg2 t

1

= 3 sin2 t .

 

 

 

 

cos2 t

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

cos4 t

 

 

 

 

Подставляя вычисленные производные в формулу, получим

 

 

 

dz

 

 

 

3 y2

 

 

 

 

 

3xy

−arctg(xy)

3 sin2 t .

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

(ln t +1)+

 

1+(xy)2

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

+ (xy)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

3 3 y4

 

 

 

 

cos4 t

 

 

 

 

ЗАМЕЧАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иногда

 

функция

 

 

w

 

явно

зависит

от

 

переменной

t , то

есть

w = f (t, x1 (t), x2

(t),..., xn (t)). В этом случае формула для полной производной имеет

 

dw

 

∂w

 

n

 

∂w

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вид:

dt

=

∂t

+ ∑

 

 

 

 

 

i .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1 ∂x

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь следует различать частную производную

 

∂w

 

 

 

 

 

 

 

∂t

,

которая

вычисляется в

предположении, что x1 ,

 

x2 ,…, xn

не зависят от переменной t , и полную производную

dw , которая учитывает и зависимость от t функций x ,

x

2

,…, x

n

.

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = t cos(t + x2 + 2 y3 ), где x = e−t ,

y =

1

 

. Вычислите полную производную

dz .

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По формуле полной производной dz

= ∂z +

∂z

dx

+

∂z

dy . Вычислим:

 

∂x

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

∂t

dt

 

 

dt

 

 

 

 

∂z = cos(t + x2 + 2 y3 )−t sin(t + x2 + 2 y3 ), ∂z

= −2xt sin(t + x2 + 2 y3 ),

 

∂t

 

 

∂z

= −6 y2 t sin(t + x2 + 2 y3 ),

dx

∂x

 

 

 

dy

 

2

 

 

 

 

 

 

= −e−t ,

= −

,

 

 

 

 

 

 

dt

dt

t3

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и подставим вычисленные производные в формулу полной производной. Получим dzdt = cos(t + x2 + 2 y3 )−t sin(t + x2 + 2 y3 )+ (− 2xt sin(t + x2 + 2 y3 )) (−e−t )+

+ (−6 y2 t sin(t + x2 + 2 y3 )) (− t23 ).

20