Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Higher_Mathematics_Part_2

.pdf
Скачиваний:
48
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
10 Мб
Скачать
☆

 

 

 

lim (x2 + y2 ) arctg

x

= 0 .

 

 

 

y

 

 

 

x→0,

 

 

 

 

 

y→0

 

 

 

4. Does lim

 

2xy

 

 

exist ?

 

 

x2

+ xy + y 2

 

 

x→0,

 

 

 

y→0

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Let the point (x, y) approach (0; 0) along the line y = kx (fig. 1.7). Then

lim

 

 

 

2xy

 

 

 

 

=

 

lim

 

 

 

 

 

 

2x2 k

 

 

 

 

= lim

 

2k

 

=

 

 

 

2k

.

x→0, x2

+ xy + y 2

 

 

 

 

x→0 x2 + x2 k + x2 k2

 

 

x→0 1+ k + k2

 

1

+ k + k2

 

y→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The values of an expression

 

 

2k

 

 

are if change the slope k change.

 

 

1 + k + k 2

 

Hence, there are infinitely many diverse straight lines along which the point

(x, y) approaches (0; 0). Thus the limit does not exist.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y=k2x

 

 

y=k1x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Calculate

 

 

lim

 

e x4

− e y4

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

− y 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Here

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

e x4 − e y4

 

 

= lim

 

e y4 (e x4 − y4

 

− 1)

=

lim

e x4 − y4

−

1

=

 

 

 

x2 − y 2

 

 

 

 

x2 − y 2

 

 

 

 

x2

− y 2

 

 

 

x→0,

 

 

x

→0,

 

 

 

 

 

 

 

x→0,

 

 

 

 

 

y

→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 4 − y 4 → 0

 

 

 

 

= lim

x4

− y 4

= lim (x2 + y 2 ) = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e x4 − y4 − 1 ≈ x 4 − y 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

− y 2

 

 

 

 

 

 

x→0,

 

x→0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y→0

 

 

 

 

 

 

 

y

→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Let f(x, y) =

 

 

 

 

, if

 

x − y ≠ 0, is f continuous at (0, 0) ?

 

 

 

x − y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

if

 

x − y = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Solution. Let’s consider

limit of f

along the y-axis. Since x = 0 and

lim

x + y

= −1 the limit at (0, 0) is not equal to the value of function at (0, 0):

x − y

y→0

 

 

 

x=0,

 

 

 

 

–1 ≠ 0. Thus the limit is not continuous at (0, 0).

 

7. Investigate for continuity.

 

 

 

 

sin(x2 + y2 )

 

 

f(x, y) =

x2 + y2

, if x2 + y2 ≠ 0,

 

 

1,

if x = y = 0.

 

 

 

 

 

Solution. The given function is determined at all points of the xy-plane. Another,

lim

sin(x2 + y2 )

 

=

 

sin(x2

+ y2 ) ~ x2 + y2

 

 

= lim

x2 + y2

= 1 ,

 

 

 

x2 + y2

x2 + y2

x→0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y→0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

→0

 

 

 

 

sin(x2

+ y2 )

 

sin(x2

+ y2 )

 

 

 

x2

+ y2 ≠ 0 .

 

 

lim

 

 

 

 

 

=

0

0

for

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→ x0 , x2 + y2

 

x02 + y02

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y→ y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

As (1.1) shows, function f (x, y) is continuity at any point of xy-plane.

Т.1 Self-test and class assignments

Find and graph the domain on the xy-plane of the following functions.

1.

z = ln(y − x2

+ 3x − 2) .

2.

z =

(x − 1)( y − x2 ) .

 

3.

z = arcsin(x2

+ 4y 2 ) .

4.

z = tg

 

πx

ctg πy .

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

z = (ln(5 − x2

− y 2 ))−1/ 2 .

6.

z =

x2 + y 2 − 1 +

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 − y 2

 

Find and graph the domain in the xyz-space of the following functions.

7.

u =

4 − x2 − y2 − z2 + x .

8.

u = 4 (x2 + y 2 − 1)(z 2 − 1) .

9.u = ln(1− x2 ) + ln(4 − y2 ) + ln(9 − z2 ) .

10.u = arccos x + arccos 2 y + arccos z 2 . Do the following limits exist? If so, evaluate them.

12

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

11.

lim

 

x + 2 y

.

12.

lim

 

x

4 + y

4

.

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

y→0 x + 6y

 

 

 

y→0

 

x

+ y

 

 

x→0,

 

 

 

 

 

x→0,

 

 

 

 

 

14.

lim

arctg(xy)

. 15.

lim

tg(xy)

.

 

x2 + y 2

 

 

 

x→∞,

 

x→0,

xy2

 

 

 

y→∞

 

 

 

 

 

y→2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

lim xe−(x2 + y2 ) .

17.

lim e

x2 + y2

.

18.

 

x→∞,

 

 

 

 

 

x→∞,

 

 

 

 

 

 

y→1

 

 

 

 

 

y→∞

 

 

 

 

 

Investigate for continuity.

13.

lim

sin(x + y)

.

 

 

 

x→0,

x2 + y 2

 

y→0

 

 

 

16.

lim

sin(x + 2y)

.

 

 

x→∞,

2xy − 3

 

y→1

 

 

 

19.

f (x, y) =

x2

+ y2

.

20. f (x, y) =

 

x2 + y 2

.

x − y

x2

− xy + 2y 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin x +sin y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, if x + y ≠ 0,

 

 

 

x + y

21. f(x, y)=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, if x + y = 0.

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x y

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

, if

x

+ y

≠ 0,

 

 

2

+ y

2

 

 

22. f(x, y) = x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0, if x = x = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Find the points or lines where z is not continuous.

23. z =

x + y

.

24. z =

x − y

.

 

x3 + y3

 

x2 + y2

 

 

25. z = sin(x + y) . sin( y − x)

Answers

1. Fig. 1.8.

2. Fig. 1.9. 3. Fig. 1.10. 11. Does not exist. 12. 0. 13. ∞ .

14. 0.

15.

1/ 2 .

16. 0. 17. 1. 18. 0. 19. Continuous at

all points, except

points

on line

у =

х. 20. Continuous at all points, except (0; 0). 21. Continuous

at all

points.

22.

Continuous

at all points. 23. (0; 0) is not continuous. 24. On line у = –х is not

continuous. 25.

There are the plural of straight lines

y = x + πn,n Z

where z is not

continuous.

13

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

у

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у=х2–3х+2

 

 

 

 

у=х

2

1/2

х2+ 4у2=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 х

2

х

 

 

 

 

 

 

х=1

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1.8

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1.10

 

 

 

 

 

Fig. 1.9

 

Т.1

Individual test problems

1.1. Find and graph the domain on the x,y-plane of the following functions.

1.1.1. z = ln(x − y) arccos(x2 + y2 ) . 1.1.2. z = x2 − y 2 ln x .

1.1.3. z =

4−x2 − y2 ln(x − y) .

1.1.5. z =

x −

y +

1 − x2 − y 2 .

1.1.7. z = arccos

1

 

+ (4 − x 2 − y 2 )−1/ 2 .

xy

 

 

 

1.1.9. z = ln(9−x2 − y2 ) ln(x2 −1) .

1.1.11. z = ln sin x + ln cos y .

1.1.13. z = arcsin

y

ln(2 −

 

x

 

) .

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

1.1.15. z = y − − x + ln(4− y2 ) .

1.1.17. z = 9 − x2 − y 2 arccos y .

1.1.19.

z = arcsin

 

x2

+ y 2

 

− yx .

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

1.1.21.

z = arccos

 

x2

+ y 2

 

+ arcsin ln x .

 

 

e2

 

 

 

 

 

 

 

1.1.4. z = arcsin

 

x

2 + y 2

 

.

 

 

 

2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.1.6. z = arcsin

 

 

x

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

x − y

 

 

 

1.1.8. z =

9x 2

+

4 y 2 −

36

.

36 − 4x 2 − 9 y 2

 

 

y−x2

1.1.10.z = ln(x + y −1) .

1.1.12.z = ln(sin x sin y) .

1.1.14.. z = 4 x2 + y2 −1 . 16−x2 − y2

1.1.16.

z = ln

x2

 

 

+ y 2

 

.

x

+ 2y

 

 

 

 

1.1.18. z =

4−

 

y

 

ln sin πx .

 

 

1.1.20.

z =

ln(1−

 

y

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

arcsin x

 

1.1.22.

z = ln( y(9−x2 )) .

14

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

1.1.23. z = ln((x + y) ln( y − x)) .

1.1.24. z =

y −ln x

.

 

 

 

 

 

x − y

1.1.25. z = tg πx ln(9−x2

− y2 ) .

1.1.26. z = ln(1 − xy) ln(x + y) .

2

x2 + y2

 

 

 

 

1.1.27. z = ctg πx +arccos

.

1.1.28. z = ln(x(1−x2 − y2 )) .

2

 

 

 

 

 

1.1.29. z = ((x 2 + y 2 − 1)(x + y))1/ 2 .

1.1.30. z = (−ln(x2 + y2 ))1/ 2 .

Topic 2. Partial derivatives and differentials of a function of several variables

The partial and total changes and the partial derivatives of a function of two variables. The differential of a function of several variables. Applications of the differentials. The partial derivatives and the differentials of a function of more than two variables.

Literature: [2, section 1, § 1.2], [3, ch . 6, § 2], [4, section 6, § 16], [6, section 6, ch. 6.1], [7, section 8, §§5––12], [9, § 44].

Т.1

Main concepts

2.1. The partial and total changes of a function of several variables

Let z = f(x, y) by a function and M (x, y) D by a point on the region D.

The problem is to estimate the difference between f(x + x, y + y) and f(x, y), the lengths of the vertical segments shown in fig. 1.2. (For convenience, assume

that both function values are positive.) Denote the difference by f or z and is called the total change:

f = z = f(x + x, y + y) – f(x, y).

If only the x coordinate changes from x to x+ x and y is constant the difference of f, namely x, changes and is denoted by xf or xz:

x z = f (x + x, y) − f (x, y) . Likewise, if only the y coordinate changes:

y z = f (x, y + y) − f (x, y) .

15

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

The total change

z is a function of two variables x

and y , x z is a

function of one variable

x ; y z is a function of one variable

y . Therefore,

 

z ≠ x z + y z .

 

2.2. Partial derivatives

Let f be a function of x and y. The graph of z = f(x, y) is a surface. Consider a point (x0, y0) in the xy plane. The graph of z = f(x, y) for (x, y) near (x0, y0) may look like the surface in fig 1.11. Let (x0, y0, f(x0, y0)) be a point on the surface directly above (x0, y0). The plane P through (x0, y0) perpendicular to the y axis meets the surface in a curve z = f(x, y0).

 

 

 

 

 

z

 

 

 

Tangent line

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = f(x, y0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x, y0, f(x, y0))

 

 

 

 

(x0, y, f(x0, y))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

(x0, y0, f(x0, y0))

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 1.11

 

 

 

 

 

 

 

To find the slope of the tangent line to this curve in the plane P at the point

(x0, y0, f(x0,

y0)), consider, as of function of one variable in [1]. This slope is

called the partial derivative of f with respect to x at (x0, y0) and is denoted

′

zx ,

′

, fx(x, y),

∂z

or

∂f

 

. In terms of limits,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f x

∂x

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

/

 

 

 

 

x z

 

 

 

 

f (x0 + x, y0 ) − f (x0 , y0 )

 

 

 

 

 

zx

= lim

 

 

=

lim

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x→0

 

 

 

x→0

 

 

 

 

 

 

Likewise

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y z

 

 

 

f (x , y

+ y) − f (x , y )

 

 

 

 

 

 

 

 

z′

=

lim

 

 

 

 

= lim

 

 

0 0

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

y→0

 

y

 

 

y→0

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

is the partial derivative of f with respect to y at (x0, y0).

A quantity may depend on more than two variables. For instence, the volume of a box dependens on three variables: the length s, width n, and heigth h, V = snh.

16

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Procedure to Find ∂∂xz and ∂∂yz

To find ∂∂xz , treat y as a constant and differentiate f with respect to x in the usual way.

To find ∂∂yz , treat x as a constant and differentiate f with respect to y in the usual way

The notions and notations of partial derivatives carry over to functions of more than two variables. If u = f (x1 , x2 ,…, xm ) , there are m first order partial

 

 

∂u

 

 

 

∂u

 

 

, …,

 

 

∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

derivatives:

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

∂x

2

 

 

∂x

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

To find

 

∂u

 

, treat xi (i≠ k) as a constant and differentiate f with respect to xk

 

∂xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

in the usual way.

the

 

 

 

 

 

partial

 

 

 

 

derivatives

 

 

 

of

 

 

the

 

 

 

composite

function

To find

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u = f (x1 , x2 ,…, xm ) ,

where

 

 

 

xi

 

= xi (t1 , t2 ,…, tk ) ,

 

 

 

 

i =1, 2, …, m

use the

following formulas.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x1

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂xm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

=

 

∂u

 

+

 

 

∂u

 

+ …+

 

 

 

∂u

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

∂x

 

 

∂t

 

 

 

 

 

∂x

2

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

m

 

 

 

∂t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

……… ……… ……… ……… ……… ……

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

=

 

∂u

 

∂x1

+

 

 

∂u

∂x2 + …+

 

 

 

∂u

 

∂xm

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t

k

 

 

 

 

∂x

 

 

∂t

k

 

 

 

∂x

2

 

∂t

k

 

 

 

 

 

 

 

∂x

m

 

 

 

∂t

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Likewise, if

z = f (u, v) , where u = u(x, y) , v = v(x, y) , then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

∂z ∂u ∂z

∂v ∂z

 

 

∂z ∂u ∂z ∂v

 

 

 

(1.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

∂x +

 

 

 

∂x ,

 

 

 

 

=

 

 

∂y +

 

 

 

∂y .

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

∂u

∂v

∂y

∂u

∂v

 

 

 

 

For a function z = f (u, v) , where

 

u = u(x) and

 

v = v(x) , there is only one

partial derivative with respect to

x

and is called the total derivative:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

=

 

∂z

 

 

du

+

 

∂z

 

 

dv

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

∂v dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Whether function u(x1, x2 ,…, xm )

 

 

 

is given in the intermediate form:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(x1 , x2 ,…, xm , u(x1 , x2 ,…, xm )) = 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

moreover

∂F ≠ 0

 

the

 

partial

 

derivative is

 

found

according

the

following

formula:

∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

= −

 

∂xi

 

 

, i = 1, 2, …, m .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

For instance, if F(x, y, z(x, y)) = 0 , hence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

∂F

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

,

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

,

 

≠ 0 .

 

 

 

 

(1.3)

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

∂y

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let z = f(x, y) have continuous partial derivatives

z′

and

 

 

Theorem

 

 

 

 

 

 

 

 

z′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

for all points within some disk with center at the point

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x, y). Then z, which is the change f(x +

x, y +

 

y) - f(x, y), can be written

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

′

y + ε1

x + ε2

y,

 

 

 

(1.4)

 

 

 

 

 

 

 

z = zx

 

x + zy

 

 

 

where ε1 and ε2 approach 0 as

 

x and y approach 0. (Both ε1 and ε2 are

functions of the four variables x, y,

 

x and

 

 

y.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. The differential

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

When

x and y are small, the quantities ε1

x and ε2

y, being the products

of small quantities, are usually negligible when compared with

z′

x and

z′

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

y

 

(if z′

x and z′

y are not 0). For this reason,

z′

x +

z′

y is often a good

 

x

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

y

 

 

 

 

 

estimate of

z when

 

x and

 

y are small. The similarity with the case of a

function of one variable suggests the following definition.

 

 

 

 

 

 

 

If z is a function of two variables, and x, y,

x and y are numbers, then the

function of the four variables x, y,

 

x and

 

 

 

y, given by

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z′

 

x + z′

y,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

is called the differential of z at x, y,

 

x and y. It is denoted dz or df.

 

 

 

Thus

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz =

 

∂f

 

dx +

 

∂f

dy

.

 

 

 

 

 

 

(1.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Though the differential dz is a function of the four variables x, y,

x and

y,

it is usually applied only when

 

x and

 

y are small.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

In the case of a function of one variable the differential dy represents the change in y along a tangent line to the graph of the function. In the case of a function of two variables it turns out that the differential dz represents the change in z along a “tangent plane” to the graph of a function.

By the formula (1.4):

z = dz + ε1 x + ε2 y.

Hence

z ≈ dz

or

 

f (x + x, y +

y) ≈ f (x, y) +

∂f (x, y)

x +

∂f (x, y)

y .

(1.6)

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

Let u = f (x1 , x2 ,…, xm ) is a

function

of m variables. The

differential is

given by

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

du =

∂u

dx1 +

 

∂u

dx2

+ …+

 

∂u

 

dxm .

 

 

 

∂x

 

∂x

2

 

∂x

m

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The chain rules. The theorem in Sec. 2.2 is the basis for the chain rules for differentiating composite functions of more than one variable. Theorem 1 of this section concerns the case in which z is a function of x and y, and x and y are functions of one variable. Theorem 2 concerns the case in which z is a function of x and y, and x and y are, in turn, functions of two variables.

 

 

 

 

 

 

 

 

Chain rule. Let z = f(x, y) have continuous partial

 

Theorem 1

 

 

 

 

 

derivatives z

′

 

and

z′

and let x = x(t) and y = y(t) be

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

differentiable functions of t. Then z is a differentiable function of t and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz =

∂z dx

+

∂z

dy .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

∂y dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Chain rule. Let z = f(x, y) have continuous partial

 

Theorem 2

 

 

derivatives z′

 

 

and z

′ and let x = x(u, v) and y = h(u, v) be

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

differentiable functions of t and u. Then z is indirectly a

function of t and u, and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂z

 

=

∂z

 

∂x

+

∂z

 

 

∂y

 

 

and

∂z

 

=

 

∂z

∂x +

∂z

∂y .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y ∂u

 

 

∂v

 

 

 

 

 

 

 

∂u

∂x ∂u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x ∂v

∂y ∂v

The differential

of z = f (x, y) ,

 

where

 

x = x(u, v) and y = y(u, v) can be

thought of as

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz =

∂f

dx +

∂f

 

dy ,

(1.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where dx =

∂x

du + dx dv , dy =

 

∂y

du +

dy

dv .

 

 

 

 

∂u

∂v

 

 

 

∂u

 

∂v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

2.4. Higher partials and differentials

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If z = f(x, y), then not only is z a function of x and y, but also

z′

and z′

are

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z′ and

x

 

y

 

each functions of x and y. Hence we may differentiate

 

 

z′

 

to obtain

second-order partial derivative of z. Symbolically,

 

 

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

means

 

 

 

 

′ ′

 

 

 

′′

means

 

′ ′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zxx

(zx ) x ,

zxy

(zx ) y ,

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

means

 

 

 

 

′ ′x

,

 

′′

means

 

′ ′ y

.

 

 

 

 

 

 

 

 

zyx

(zy )

 

zyy

(zy )

 

 

 

 

 

 

In terms of ∂ –– notation,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ 2 z

 

 

∂

 

 

∂z

 

 

∂ 2 z

 

 

∂

∂z

 

 

 

 

 

 

means

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

means

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

∂x2

 

 

∂x

 

 

∂x

 

 

∂x∂y

 

 

∂y

 

∂x

 

 

 

 

 

∂ 2 z

 

 

 

∂

 

 

 

∂z

 

 

∂ 2 z

 

 

∂

∂z

 

 

 

 

 

 

means

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

means

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y∂x

 

 

 

∂x

 

∂y

 

 

∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂y

∂y

 

 

 

 

 

They are also denoted

f

′′

or

 

 

 

∂ 2 f

and so on.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

∂x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Note that to find

z′′

 

, and

 

∂ 2 z

first differentiate z with respect to x.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

∂x∂y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

For most functions met in practice the two “mixed partials” z′′

and

z′′

are

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

 

yx

 

equal. In view of the importance of this remark it is stated as a theorem.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mixed

 

partial. If z = f(x, y) has continuous partial

 

Theorem

 

 

 

 

 

 

 

 

 

derivatives

z′ ,

z′

, z′′

and

z′′

, then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

xy

 

yx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z′′

= z′′ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

yx

 

 

 

 

 

 

 

For a function

 

 

u = f (x1 , x2 ,…, xm )

exist

m2 second-order

partial

 

 

∂ 2u

 

 

 

 

∂

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

derivatives:

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

i, k = 1, 2, …, m .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂xk ∂xi

 

 

 

 

 

 

∂xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂xi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

We can extend our notation beyond second-order partial derivatives.

 

 

 

 

 

′′′

 

 

 

 

 

∂ 3 z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(or

∂x2∂y ) is a third-order partial derivative of z. It is the

 

For example, zxxy

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

∂ 2 z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

partial derivative of

 

(or ∂x2

 

).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Second-order differential d 2 z

of a function

z = f (x, y) at point

M (x, y) is

called the differential of the first-order differential dz , thus d 2 z = d (dz) .

20

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]