- •Оглавление
- •Введение
- •1. Дифференциальное исчисление функций многих переменных
- •1.1. Предел и непрерывность функций многих переменных
- •1.1.1. Понятие функции многих переменных
- •1.1.2. Геометрическая иллюстрация функции двух переменных
- •1.1.3. Предел функции двух переменных в точке
- •1.1.4. Непрерывность функции двух переменных
- •1.2. Дифференцируемость функции многих переменных
- •1.2.1. Частные производные
- •1.2.2. Дифференцируемые функции
- •1.2.3. Полный дифференциал функции многих переменных
- •1.2.5. Производные высших порядков
- •1.3. Экстремум функции многих переменных
- •1.3.1. Понятие экстремума. Необходимое условие экстремума
- •1.4. Метод наименьших квадратов
- •1.4.1. Понятие эмпирической формулы
- •1.4.2. Выравнивание экспериментальных данных по прямой
- •1.4.3. Выравнивание экспериментальных данных по параболе
- •1.4.4. Выравнивание экспериментальных данных по гиперболе
- •2. Интегральное исчисление
- •2.1. Неопределенный интеграл
- •2.1.1. Определение первообразной и неопределенного интеграла
- •2.1.2. Основные свойства неопределенного интеграла
- •2.1.3. Таблица основных неопределенных интегралов
- •2.1.4. Непосредственное интегрирование. Поднесение под знак дифференциала
- •2.2. Основные методы интегрирования
- •2.2.1. Замена переменной в неопределенном интеграле
- •2.2.2. Интегрирование некоторых иррациональных функций
- •2.2.3. Интегрирование тригонометрических функций
- •2.2.4. Интегрирование по частям
- •2.2.5. Интегрирование рациональных функций
- •2.3. Определенный интеграл
- •2.3.1. Определение определенного интеграла
- •2.3.2. Необходимое условие интегрируемости функций. Классы интегрируемых функций
- •2.3.3.Свойства определенного интеграла
- •2.3.5. Замена переменной в определенном интеграле
- •2.3.7. Геометрические приложения определенного интеграла
- •2.4. Несобственные интегралы
- •2.4.2. Несобственные интегралы от неограниченных функций
- •3.1. Понятие обыкновенного дифференциального уравнения n-го порядка и его решения
- •3.2. Дифференциальные уравнения первого порядка
- •3.2.1. Понятие дифференциального уравнения первого порядка и его решения. Задача Коши. Теорема Коши. Понятие общего решения
- •3.2.4. Однородные дифференциальные уравнения первого порядка
- •3.3. Линейные дифференциальные уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами
- •3.3.1. Постановка задачи Коши и понятие общего решения для линейного дифференциального уравнения второго порядка
- •3.3.2. Свойства решений линейных однородных уравнений
- •3.3.3. Решение однородных линейных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами
- •4. Ряды
- •4.1. Числовые ряды
- •4.1.1. Понятие числового ряда и его сходимости
- •4.1.2. Простейшие свойства сходящихся рядов
- •4.1.3. Необходимый признак сходимости ряда и его следствие
- •4.1.4. Достаточные признаки сходимости рядов с неотрицательными членами
- •4.1.5. Знакопеременные ряды. Абсолютная и условная сходимость
- •4.1.6. Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница
- •4.2. Степенные ряды
- •4.2.1. Понятие функционального ряда и его области сходимости
- •4.2.2. Степенные ряды. Теорема Абеля
- •4.2.3. Интервал, радиус и область сходимости степенного ряда
- •4.2.4. Ряды Тейлора и Маклорена. Разложение некоторых элементарных функций в степенные ряды
- •Вопросы для повторения и тренировочные задания
- •1. Функции многих переменных
- •2а. Неопределенный интеграл
- •2б. Определенный интеграл
- •3: Дифференциальные уравнения
- •4. Ряды
- •Вопросы к экзамену
- •Литература
наличие производной были условиями равносильными. Для функ-
ций многих переменных наличие частных производных не гарантирует дифференцируемость. Однако, как показывает следующая теорема, уже непрерывность частных производных обеспечивает дифференцируемость.
Теорема 1.8. Если в некоторой окрестности точки M0 (x0, y0 )
∂∂xz (x, y) и ∂∂yz (x, y) и они непрерывны в точке M0 (x0, y0 ) , то функция z = f (x, y) дифференци-
руема в точке M0 (x0, y0 ) .
1.2.3. Полный дифференциал функции многих переменных
Определение 1.13. Если функция z = f (x, y) дифференцируема в точке M0 (x0, y0 ) , то линейная относительно приращений x и y часть полного приращения функции называется полным дифференциалом функции z = f (x, y) в точке M0 (x0, y0 ) и обозначает-
ся dz(M0 ).
С учетом (1.6) и теоремы 1.7 справедливо следующее представление полного дифференциала:
dz(M0 ) = |
∂z(M0 ) |
|
x + |
∂z(M0 ) |
y |
|
(1.7) |
||||
|
∂x |
|
|
∂y |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Если принять по определению за дифференциалы независимых |
|||||||||||
переменных x |
и y |
их приращения |
|
x и y , т.е. положить dx = |
|||||||
x и dy = y , то (1.7) примет вид : |
|
|
|
|
|
||||||
|
dz(M0 ) |
= |
∂z(M0 ) |
d x + |
∂z(M0 ) |
d |
y |
(1.8) |
|||
|
∂x |
|
∂y |
||||||||
Пример |
1.6. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Найти |
полный |
дифференциал |
функции |
||||||||
z = ln(x2 + y2 ) |
в точке M0 (1,2) . |
|
|
|
|
|
|
18
|
|
Решение. Имеем |
∂z |
|
= |
(ln(x |
2 |
+ y |
2 |
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
∂x |
|
))x,y−const = |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
= |
|
1 |
|
|
(x |
2 |
+ y |
2 ′ |
|
|
|
2x |
|
. Тогда |
∂z |
|
|
|
= |
|
|
2 1 |
|
2 |
. |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
)x |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|||||||||||||||
x2 |
+ y2 |
|
|
x2 + y2 |
∂x |
M0 |
12 |
+ 22 |
5 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Далее находим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
∂z |
|
|
|
(ln(x |
2 |
+ y |
2 |
|
|
′ |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
(x |
2 |
+ y |
2 |
′ |
|
2y |
. |
|
||||||||
|
|
|
= |
|
|
|
))y,x−const |
= |
|
|
|
|
|
|
|
)y = |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
∂y |
|
|
|
|
x2 + y2 |
|
|
x2 |
+ y2 |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Тогда |
|
|
∂z |
|
|
= |
|
|
2 2 |
= |
4 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
∂y |
|
|
|
2 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
M0 |
|
1 + 2 |
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
Согласно (1.8) получаем полный дифференциал |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dz(M0 ) = 0,4dx +0,8dy . |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
Ответ: dz = 0, 4dx +0,8dy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
1.2.4. |
|
|
|
Приложения |
|
|
|
полного |
|
|
|
дифференциала |
в |
||||||||||||||||||||||||
приближенных вычислениях |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
Поскольку для дифференцируемой функции разность между |
полным приращением и полным дифференциалом есть бесконечно малая более высокого порядка малости, чем x и y , то справед-
лива формула приближенного вычисления значений функции:
f (x + |
x, y + |
y) ≈ f (x , y ) + ∂f (x , y ) |
x + ∂f |
(x , y ) |
y (1.9) |
|||||||
0 |
0 |
|
0 0 |
∂x |
0 0 |
|
∂y |
0 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Пример. 1.7. Вычислить приближенно |
|
4,032 +2,992 |
. |
|
|
|||||||
Решение. Рассмотрим функцию |
z = f (x, y) = |
|
x2 + y2 |
. |
Тогда |
|||||||
искомое |
число |
есть значение |
этой |
|
функции в |
точке |
||||||
x = x0 + |
x = 4,03 , |
y = y0 + |
y = 2,99 . Выбирая |
|
x0 = 4, |
y0 = 3 , |
||||||
получим |
x = 0,03; |
y = −0,01. Далее находим |
значения функ- |
ции и ее частных производных в точке M (x0 , y0 ) : f (x0 , y0 ) = 42 +32 = 5 ,
19
∂f (x |
, y |
0 |
) = |
|
2x |
|
|
|
|
= 4 , |
∂f (x , y |
0 |
) |
= |
|
2y |
|
|
= 3. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
∂x |
0 |
2 |
x |
2 |
+ y |
2 |
|
|
y=4 |
5 |
∂y |
0 |
|
y=4 |
2 x |
2 |
+ y |
2 |
5 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x=3, |
|
|
|
|
|
x=3, |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Применяя теперь формулу (1.9), находим
4,032 +2,992 ≈ 5 + 54 0,03 + 53 (−0,01) = 5,018.
|
1.2.5. Производные высших порядков |
|
|
||
|
Пусть функция |
z = f (x, y) имеет |
частные производные |
||
∂z = f ′(x, y) и |
∂z = f |
′(x, y) , где ( x, y) D |
D − некоторая по- |
||
∂x |
x |
∂y |
y |
1, |
1 |
|
|
|
|
добласть области D , на которой определена функция z = f (x, y) . Значит, на D1 заданы две новые функции двух переменных, а именно u = ∂∂xz (x, y) и v = ∂∂yz (x, y) и можно находить их частные
производные по переменным x и y . Эти частные производные и
называются частными производными второго порядка или вторы-
ми частными производными функции z = f (x, y) .
Итак, по определению: |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
∂2 z |
= |
|
∂ ∂z |
= |
f |
″ |
(x, y) = |
f |
|
|
″ |
(x, y) ; |
|||||||||||||||
∂x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xx |
|
|
2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
∂x |
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
||||||||||||
|
|
∂ |
2 |
z |
|
|
|
|
∂ |
|
∂z |
|
|
|
″ |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
= |
|
|
|
= |
f |
|
(x, y) ; |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xy |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
∂x∂y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
∂x |
∂y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
∂2 z |
= |
|
∂ |
|
|
∂z |
= |
f |
|
″ |
(x, y) |
; |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
yx |
|
|
|
|
|||||||
|
∂y∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
∂y |
∂x |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
∂ |
2 |
z |
|
|
|
∂ |
|
∂z |
|
|
|
|
″ |
|
|
|
|
|
2 ″(x, y) , |
||||||||
|
= |
|
|
|
|
= f |
(x, y) = |
f |
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
yy |
|
y |
|||||||||||||||||
∂y |
|
|
|
|
∂y |
∂y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
причем, частные производные ∂2 z и ∂2 z называются смешан-
∂x∂y ∂y∂x
ными частными производными.
20