- •Тема Функции нескольких переменных
- •§1. Евклидово пространство: точки, множества, сходимость
- •I Точки, множества
- •II Сходимость
- •§2. Определение функции нескольких переменных
- •§3. Предел функции нескольких переменных. Непрерывность
- •2. Рассмотрим функцию и последовательность точек
- •§4. Частные производные
- •§5. Дифференцируемость и полный дифференциал
- •§6. Производные сложных функций
- •§7. Сущестование и дифференцируемость неявной функции
- •§8. Касательная к кривой в пространстве
- •I Вектор-функция и ее производная
- •II Физический смысл производной вектор-функции
- •III Уравнения касательной
- •§9. Касательная плоскость к поверхности
- •§10. Производные высших порядков
- •§11. Экстремумы функции нескольких переменных
- •§12. Наибольшее и наименьшее значения функции в области
- •§13. Производная по направлению. Градиент
- •I Производная по направлению
- •II Градиент
- •III Линии и поверхности уровня
- •§14. Метод наименьших квадратов
- •I Постановка задачи и суть метода
- •II Одно полезное неравенство
- •III Исследование системы нормальных уравнений
§7. Сущестование и дифференцируемость неявной функции
Теорема. Пусть функция двух переменных и ее частные производ-ныеинепрерывны в некоторой окрестности точки, причем:аТогда уравнениеопределяет (в не-которой окрестности точки) единственную функцию. Эта функция дифференцируема и
(1)
Докажем формулу (1), принимая без доказательства существование и дифференцируемость неявной функции . То, что уравнениеопределяет некоторую функцию, означает следующее:(в не-которой окрестности точки). Продифференцируем это тождество почленно, используя формулу (2) предыдущего параграфа:
Из последнего равенства и вытекает формула (1).
Пример. Рассмотрим функцию и точкуВычислим производные:Нетрудно видеть, что все условия теоремы выполнены:непрерывны в окрестности точкии,Следовательно, в некоторой окрестности точки, уравнениеопределяет некоторую функцию, обращающую уравнение в тождество. Ее производная:
Замечательно, что по свойствам функции двух переменных , задан-ной непосредственно, мы можем судить о свойствах функции, для которой непосредственного задания мы не имеем.
Замечание 1. Геометрический смысл условия линия определяемая уравнениемимеет в точкеневертикальную касательную, т.е. саму линию можно понимать как график некоторой функции (в некоторой окрестности точкиМ0).
Замечание 2. Теорема легко обобщается на случай неявных функций нескольких переменных.
Лекция 19
§8. Касательная к кривой в пространстве
I Вектор-функция и ее производная
Определение 1. Если каждому значению переменной t из некоторого мно-жества Т поставлен в соответствие некоторый вектор , то говорят, что на множествеТ задана вектор-функция
Определение 2. Вектор называют пределом вектор-функциив точкеи пишут , если.
Определение 3. Производной вектор-функции в точке называют предел
Если в пространстве задана декартова прямоугольная система координат, то вектор определяется своими проекциями, т.е.
или.
Таким образом, вектор-функция – это упорядоченная тройка обычных функций одной переменной. А так как
,
то определение 2 равносильно следующим трем равенствам
.
Аналогично для производной получаем
.
Будем откладывать векторы ,, от начала координат. Тогда их концы составят в пространстве некоторую линию, которую называют годографом вектор-функции . Например, для вектор-функциигодограф – это винтовая линия.
II Физический смысл производной вектор-функции
Положение точки М в пространстве можно задавать ее координатами (в не-которой системе координат), а можно задавать и радиус-вектором , гдеО – начало координат. Если точка М движется, то зависит от времени, т.е. движение точки в пространстве можно задавать вектор-функцией, гдеt – время из некоторого промежутка. Годограф этой функции – это траектория дви-жения. Производная – это вектор мгновенной скорости:
.
III Уравнения касательной
Линию в пространстве обычно задают системой параметрических урав-нений
Однако, удобно такую линию понимать как годограф вектор-функции
.
Напомним, что, кратко говоря, касательная к линии L в ее точке –это пре-дельной положение секущей, когда точкастремиться квдольL. Другими словами, касательная в точке – это та прямая, проходящая через, направляющий вектор которой есть предел направляющего вектора секущей. ПустьиТогда
,
т.е. , а следовательно ислужат направляющими векторами секущей. Поэтому
Отсюда получаем два вывода:
1)вектор мгновенной скорости точки направлен по касательной к траек-тории движения;
2)канонические уравнения касательной к линии L в точке , которая соответствует значению параметра, имеют вид:
Пример. Показать, что касательные к линии образуют с осьюпостоянный угол.
Решение. Для винтовой линии направляющий вектор касательной . Если– угол между касательной и осью, то
.
Напомним, что – орт оси:. Значит,
.
Как видим, , а значит и, не зависят от параметра t, т.е =сonst.
Замечание. Нетрудно заметить, что для плоской линии
уравнение касательной имеет вид
Пример. Составить уравнение касательной к эллипсу
Решение. Пусть – точка касания, соответствующая значению параметра:. Тогда уравнение касательной:
Разделив обе части последнего равенства на а .b, получим известную формулу для касательной к эллипсу в его точке :
.