Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Письменный Д. - Конспект лекций.docx
Скачиваний:
42
Добавлен:
23.09.2019
Размер:
652 Кб
Скачать
☆

§44. Производные и дифференциалы функции

НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ 44.1. Частные производные первого порядка и их геометрическое

истолкование

Пусть задана функция г = f(x; у). Так как х и у — независимые пере­менные, то одна из них может изменяться, а другая сохранять свое значе­ние. Дадим независимой переменной х приращение Ах, сохраняя значение

263

у неизменным. Тогда z получит приращение, которое называется частным приращением z по х и обозначается Axz. Итак,

Axz = f(x + Ах; у) - f(x; у). Аналогично получаем частное приращение z по у:

Ayz = f(x; у + Ay) - f(x; у). Полное приращение Az функции z определяется равенством

Az = f(x + Ах;у + Ay) - f(x;у). Если существует предел

lim %£ = lim f(* + **-'V)-ftov)t Дж-s-o Да; Дх-s-o Да;

то он называется частной производной функции z = f(x; у) в точке М(х; у) по переменной х и обозначается одним из символов:

*' — Г д-1

*' dxJx' дх'

Частные производные по а; в точке Мо(хо',уо) обычно обозначают симво­лами f'x(x0;y0), fx ■

М0

Аналогично определяется и обозначается частная производная от z = f(x; у) по переменной у:

г' = Нш bl = lim f(x;y + Ay)-f(x;y)_ у Ду->0 Ау Ду->0 Лу

Таким образом, частная производная функции нескольких (двух, трех и больше) переменных определяется как производная функции одной из этих переменных при условии постоянства значений остальных незави­симых переменных. Поэтому частные производные функции f(x; у) нахо­дят по формулам и правилам вычисления производных функции одной переменной (при этом соответственно х или у считается постоянной вели­чиной).

Пример 44Л. Найти частные производные функции z — 2у + ех ~v 4-1.

О Решение:

4 = (2у + е*2~У + 1)'х = (2у)'х + {е*2-У)'х + (1)'х =

= о + е*2-» ■ (х2 -у)'х+0 = ех2~у ■ (2х - 0) = 2х ■ ех2~у;

z'y = 2 + ех2~У •(-!). •

264

Геометрический смысл частных производных функции двух переменных

Графиком функции z = f(x;y) явля­ется некоторая поверхность (см. п. 12.1). График функции г = f(x;yo) есть линия пересечения этой поверхности с плоско­стью у = г/о- Исходя из геометрическо­го смысла производной для функции од­ной переменной (см. п. 20.2), заключа­ем, что /i(x0;j/0) = tga, где а — угол между осью Ох и касательной, прове­денной к кривой z — f(x;yo) в точке M0(x0;yo;f(xo;yo)) (см. рис. 208).

Аналогично, fy(x0;yo) = tg/3.

Рис. 208.

44.2. Частные производные высших порядков

Частные производные \. ' и J \ ' называют частными про­изводными первого порядка. Их можно рассматривать как функции от (х;у) S D. Эти функции могут иметь частные производные, которые на­зываются частными производными второго порядка. Они определяются и обозначаются следующим образом:

дхду

д_ (дг_ дх \дх

д_ (дг_ дх \ду

д_ (дг_ ду \дх

^1 дх2

d2z

дудх =z*v = f"v(x>vy>

д2-

^ух Jyx\X' У)

д (dz\ d2z

ду \ду) ду2

*vv = /£(*;«)■

Аналогично определяются частные производные 3-го, 4-го и т. д. порядков.

д

_ д d2z

dAz

= д г дх ду дх

(4) 'хух2

О

Так, z"

= z

(или (г'"

ду \dxf)' дх Кдхдудх

1 хху И Т. Д.

Частная производная второго или более высокого порядка, взятая по различным переменным, называется смешанной частной производ-

dh

"хух-

ной. Таковыми являются, например, z"„ „ „ л.

" дхду

Пример 44-%- Найти частные производные второго порядка функции

:Ж4 -2х2у3 +у5 + 1.

265

О Решение: Так как z'x = 4х3 — 4ху3 и z'y = —6х'2у2 + 5у&, то

г% = (4х3 - 4ху% = -12ху2, z'ylx = (-6x2y2 + 5y4)'x = -l2xy2.

Оказалось, что zxy — z'y'x. •

Этот результат не случаен. Имеет место теорема, которую припадем без доказательства.

Теорема 44.1 (Шварц). Если частные производные высшего порядка непрерывны, то смешанные производные одного порядка, отличающиеся лишь порядком диффе­ренцирования, равны между собой.

В частности, для z = f{x;y) имеем: ^^ = ЩЪх'