52.Неявные функции и их дифференцирование.

Функция у от х, определяемая уравнением

F (x, y) = 0 , (3.1)

называется неявной функцией.

Конечно, далеко не каждое уравнение вида (3.1) определяет у как однозначную (и, тем более, непрерывную) функцию от х. Например, уравнение эллипса

задает у как двузначную функцию от х: для

Условия существования однозначной и непрерывной неявной функции определяются следующей теоремой:

Теорема 3.1 (без доказательства). Пусть:

1. функция F (x,y) определена и непрерывна в некотором прямоугольнике с центром в точке (х₀ , у₀ );

2. F (x₀ , y₀ ) = 0 ;

3. при постоянном х F (x,y) монотонно возрастает (или убывает) с возрастанием у.

Тогда

а) в некоторой окрестности точки (х₀ , у₀ ) уравнение (3.1) определяет у как однозначную функцию от х: y = f(x);

б) при х = х₀ эта функция принимает значение у₀ : f (x₀) = y₀ ;

в) функция f (x) непрерывна.

Найдем при выполнении указанных условий производную функции y = f (x) по х.

Теорема 3.2. Пусть функция у от х задается неявно уравнением (3.1), где функция F (x,y) удовлетворяет условиям теоремы 3.1. Пусть, кроме того, - непрерывные функции в некоторой области D, содержащей точку (х,у), координаты которой удовлетворяют уравнению (3.1), причем в этой точке . Тогда функция у от х имеет производную

(3.2)

Доказательство.

Выберем некоторое значение х и соответствующее ему значение у. Зададим х приращение Δх, тогда функция y = f (x) получит приращение Δу . При этом F (x,y) = 0, F (x+ Δx, y+Δy) = 0, поэтому F (x+ Δx, y+Δy) – F (x,y) = 0. Слева в этом равенстве стоит полное приращение функции F (x,y), которое можно представить в виде (2.2):

.

Разделив обе части полученного равенства на Δх, выразим из него : .

В пределе при , учитывая, что и , получим: . Теорема доказана.

Пример. Найдем , если . Найдем , .

Тогда из формулы (3.2) получаем: .

53.Касательная плоскость и нормаль к поверхности. Частные производные.

Частной производной n-го порядка функции нескольких переменных называется первая производная от производной (n – 1)-го порядка.

Частные производные обладают важным свойством: результат дифференцирования не зависит от порядка дифференцирования (например, ). Докажем это утверждение.

Теорема 3.3. Если функция z = f (x,y) и ее частные производные определены и непрерывны в точке М (х, у) и в некоторой ее окрестности, то в этой точке

(3.3)

Доказательство.

Рассмотрим выражение и введем вспомогательную функцию . Тогда

. Из условия теоремы следует, что дифференцируема на отрезке [x, x+Δx], поэтому к ней можно применить теорему Лагранжа: где

[x, x+Δx]. Но Так как в окрестности точки М определена , дифференцируема на отрезке [y, y + Δy], поэтому к полученной разности вновь можно применить теорему Лагранжа: , где Тогда

Изменим порядок слагаемых в выражении для А:

и введем другую вспомогательную функцию , тогда Проведя те же преобразования, что и для , получим, что где . Следовательно,

. В силу непрерывности и . Поэтому, переходя к пределу при получаем, что , что и требовалось доказать.

Следствие. Указанное свойство справедливо для производных любого порядка и для функций от любого числа переменных.

Пусть функция z = f (x, y) является дифференцируемой в окрестности точки М (х₀ , у₀). Тогда ее частные производные и являются угловыми коэффициентами касательных к линиям пересечения поверхности z = f (x, y) с плоскостями у = у₀ и х = х₀, которые будут касательными и к самой поверхности z = f (x, y). Составим уравнение плоскости, проходящей через эти прямые. Направляющие векторы касательных имеют вид {1; 0; } и {0; 1; }, поэтому нормаль к плоскости можно представить в виде их векторного произведения: n = {- ,- , 1}. Следовательно, уравнение плоскости можно записать так:

, (4.1)

где z₀ = .

Определение 4.1. Плоскость, определяемая уравнением (4.1), называется касательной плоскостью к графику функции z = f (x, y) в точке с координатами ( х₀ , у₀ , z₀ ).

Из формулы (2.3) для случая двух переменных следует, что приращение функции f в окрестности точки М можно представить в виде:

или

(4.2)

Следовательно, разность между аппликатами графика функции и касательной плоскости является бесконечно малой более высокого порядка, чем ρ, при ρ→0.

При этом дифференциал функции f имеет вид:

,

что соответствует приращению аппликаты касательной плоскости к графику функции. В этом состоит геометрический смысл дифференциала.

Определение 4.2. Ненулевой вектор, перпендикулярный касательной плоскости в точке М (х₀ , у₀) поверхности z = f (x, y), называется нормалью к поверхности в этой точке.