Г еометрическое изображение функции двух переменных
Рассмотрим
функцию
определенную в
области
на плоскости
(эта область может быть и всей плоскостью),
и систему прямоугольных координат
В каждой точке
восставим перпендикуляр к плоскости
и на нем отложим отрезок, равный
Тогда мы получим в пространстве точку
с координатами
Множество
точек
координаты которых удовлетворяют
уравнению
называется графиком функции двух
переменных.
Из аналитической геометрии мы знаем, что уравнение в пространстве определяет некоторую поверхность. Таким образом, графиком функции двух переменных является поверхность, проектирующаяся на плоскость в область определения функции.
П
ример.
Графиком функции
как известно из аналитической геометрии,
является параболоид вращения.
Геометрические изображения функций трех и большего числа переменных не имеют простого геометрического смысла.
В некоторых случаях можно получить наглядное геометрическое представление о характере изменения функции, рассматривая ее линии уровня (или поверхности уровня), т.е. линии (или поверхности), где данная функция сохраняет постоянное значение.
Линией уровня
функции
называется множество всех точек
плоскости
для которых данная функция имеет одно
и то же значение (изокривая). Таким
образом, уравнение линии уровня есть
где
некоторая постоянная. Придавая
постоянные значения
мы получим в плоскости
линии уровня
Геометрически они получаются, если
пересекать поверхность
плоскостями, параллельными плоскости
и проектировать линии пересечения на
эту плоскость.
Этот способ, в частности, широко применяется при черчении географических карт; там функцией служит высота над уровнем океана.
П
олученная
система линий уровня может иметь вид,
например, изображенный на рисунке;
маленькие черточки указывают направление
убывания функции от линии уровня, для
географической карты это – направление
стока воды. Из рисунка видно, что
рассматриваемый график имеет
вершины
в точках
и
(причем в
более высокую), в точке
перевал и т.п.
Поверхностью
уровня функции
называется множество всех точек
пространства
для которых данная функция имеет одно
и то же значение (изоповерхность).
Линии и поверхности уровня постоянно встречаются в физических вопросах. Например, соединив на карте поверхности Земли точки с одинаковой средней суточной температурой или с одинаковым средним суточным давлением, получим соответственно изотермы и изобары, являющиеся важными исходными данными для прогноза погоды.
Частные и полное приращения функции нескольких переменных
Рассмотрим линию
пересечения поверхности
с плоскостью
параллельной плоскости
Так как в этой плоскости
сохраняет постоянное значение, то
вдоль кривой
будет меняться только в зависимости
от изменения
Дадим
независимой переменной
приращение
тогда
получит приращение, которое называют
частным приращением
по
и обозначают через
так что
Аналогично, если
сохраняет постоянное значение, а
получает приращение
то
получает приращение, называемое частным
приращением
по
Это приращение обозначают символом
Приращение
функция получает вдоль линии пересечения
поверхности
с плоскостью
параллельной плоскости
Наконец, сообщив
аргументу
приращение
а аргументу
приращение
получим для
новое приращение
которое называется полным приращением
функции
и определяется формулой:
Отметим, что, вообще говоря, полное приращение не равно сумме частных приращений.
Аналогичным образом
определяются частные и полное приращения
функции любого числа переменных. Так
для функции трех переменных
имеем:
