Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Высшая математика - 2.Уч.-практ.пособие.pdf
Скачиваний:
93
Добавлен:
20.02.2016
Размер:
1.66 Mб
Скачать
существуют частные производные

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,yconst =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

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,xconst

=

 

 

 

 

 

 

 

)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

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 z

=

 

 

 

z

=

f

 

(x, y)

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yx

 

 

 

 

 

yx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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-

xy yx

ными частными производными.

20