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

Higher_Mathematics_Part_2

.pdf
Скачиваний:
45
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
9.73 Mб
Скачать

 

 

 

lim (x2 + y2 ) arctg

x

= 0 .

 

 

 

y

 

 

 

x0,

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

4. Does lim

 

2xy

 

 

exist ?

 

 

x2

+ xy + y 2

 

 

x0,

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

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

.

x0, x2

+ xy + y 2

 

 

 

 

x0 x2 + x2 k + x2 k2

 

 

x0 1+ k + k2

 

1

+ k + k2

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

x0,

 

 

x

0,

 

 

 

 

 

 

 

x0,

 

 

 

 

 

y

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

 

x0,

 

x0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

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

y0

 

 

 

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

x0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

0

 

 

 

 

sin(x2

+ y2 )

 

sin(x2

+ y2 )

 

 

 

x2

+ y2 0 .

 

 

lim

 

 

 

 

 

=

0

0

for

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx0 , x2 + y2

 

x02 + y02

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yy0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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(1x2 ) + 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

 

y0 x + 6y

 

 

 

y0

 

x

+ y

 

 

x0,

 

 

 

 

 

x0,

 

 

 

 

 

14.

lim

arctg(xy)

. 15.

lim

tg(xy)

.

 

x2 + y 2

 

 

 

x→∞,

 

x0,

xy2

 

 

 

y→∞

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

lim xe(x2 + y2 ) .

17.

lim e

x2 + y2

.

18.

 

x→∞,

 

 

 

 

 

x→∞,

 

 

 

 

 

 

y1

 

 

 

 

 

y→∞

 

 

 

 

 

Investigate for continuity.

13.

lim

sin(x + y)

.

 

 

 

x0,

x2 + y 2

 

y0

 

 

 

16.

lim

sin(x + 2y)

.

 

 

x→∞,

2xy 3

 

y1

 

 

 

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 =

4x2 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(9x2 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(4y2 ) .

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

 

 

yx2

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 . 16x2 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(9x2 )) .

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(9x2

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(1x2 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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

 

 

 

x0

 

 

 

 

 

 

Likewise

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y z

 

 

 

f (x , y

+ y) f (x , y )

 

 

 

 

 

 

 

 

z

=

lim

 

 

 

 

= lim

 

 

0 0

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

y0

 

y

 

 

y0

 

 

 

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 (ik) 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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zand

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

 

 

xy

 

 

y

 

x

 

 

 

 

 

2 z

 

 

 

 

 

 

z

 

 

2 z

 

 

z

 

 

 

 

 

 

means

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

means

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

yx

 

 

 

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

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

x2y ) 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]