Функция двух переменных.Область определения и линии уровня. Производные сложных функций нескольких переменных Зачем используют функции нескольких переменных
До сих пор мы занимались изучением функции одной переменной, т.е. изучением переменной, значения которой зависят от значений одной независимой переменной.
На практике часто приходится иметь дело с величинами, численные значения которых зависят от значений нескольких изменяющихся независимо друг от друга величин. Изучение таких величин приводит к понятию функции нескольких переменных. Приведем несколько примеров.
Пример 1. Площадь прямоугольника есть функция двух независимо друг от друга изменяющихся переменных – сторон прямоугольника и : .
Пример 2. Работа электрического тока на участке цепи зависит от разности потенциалов на концах участка, силы тока и времени : .
Пример 3. Температура , измеряемая в различных точках некоторого тела, есть функция от координат точки, в которой она измеряется, и от момента времени : .
Определение 1. Назовем n -мерной точкой упорядоченный набор из чисел . Числа называются координатами -мерной точки . Множество всевозможных -мерных точек назовем n-мерным пространством и будем обозначать его . Точку назовем началом координат в -мерном пространстве, а число – размерностью пространства.
Частные случаи :
1. – числовая прямая;
2. – плоскость;
3. – трехмерное пространство.
Определение 2. Пусть имеется переменных величин, и каждому набору их значений из некоторого множества соответствует одно вполне определенное значение переменной величины . Тогда говорят, что задана функция нескольких переменных
Переменные называются независимыми переменными или аргументами , – зависимой переменной , символ – закон соответствия .
Также как и функцию одной переменной функцию нескольких переменных можно задать явно – и неявно – .
Любую явную функцию нескольких переменных можно представить как функцию точки в -мерном пространстве: , где точка определяется набором ее координат.
Если каждой точке из области определения соответствует одно значение , то функция называется однозначной , в противном случае – многозначной .
Множество называется областью определения функции , оно является подмножеством -мерного пространства. Подобно промежутку область может быть замкнутой или открытой в зависимости от того, содержит она свою границу или нет.
Естественной областью определения функции (1) называется множество точек , координаты которых однозначно обеспечивают вещественные и конечные значения функции . В дальнейшем, если дополнительные ограничения на изменение независимых переменных постановкой задачи не накладываются, под областью определения функции будем подразумевать ее естественную область определения.
Рассмотрим более подробно два частных случая, которые являются наиболее простыми и допускают геометрическую интерпретацию.
1. Функция двух переменных (n = 2)
Функцию двух переменных будем обозначать . Частное значение функции при , или в точке записывают в виде , , или .
Область определения функции есть подмножество точек координатной плоскости . В частности, областью определения функции может быть вся плоскость или часть плоскости, ограниченная линиями. Линию, ограничивающую данную область, будем называть границей области. Точки плоскости, не лежащие на границе, будем называть внутренними .
Пример 4. Функция определена на всей плоскости .
Пример 5. Функции определена на всей плоскости, за исключением прямой .
Пример 6. Областью определения функции является множество точек плоскости , координаты которых удовлетворяют соотношению , т.е. круг радиуса 1 и с центром в начале координат. Область определения этой функции является замкнутой.
Следующий пример рассмотрим более подробно.
Пример 7. Найти область определения функции .
Решение.
Логарифм определен только при положительном значении аргумента, поэтому на аргументы имеется одно условие: .
Чтобы изобразить геометрически область , найдем сначала ее границу: . Полученное уравнение определяет параболу, вершина которой расположена в точке , а ось направлена в положительную сторону оси .
|
Следовательно, искомая область состоит из внутренних точек параболы. Сама парабола в область не входит, значит, область отрытая.
Определение 3.Окрестностью точки называется любой открытый круг, содержащий точку .
В частности, -окрестностью называется открытый круг с центром в точке и радиусом .
Очевидно, круг на плоскости есть двумерный аналог интервала на прямой.
При изучении функций нескольких переменных во многом используется уже разработанный математический аппарат для функции одной переменной. А именно: любой функции можно поставить в соответствие пару функций одной переменной: при фиксированном значении функцию и при фиксированном значении функцию .
Следует иметь в виду, что хотя функции и имеют одно и то же "происхождение", вид их может существенно различаться.
Пример 9. Рассмотрим функцию . При функция является степенной, а при функция является показательной.
Геометрическое изображение функции двух переменных.
Как известно, функция одной переменной может быть изображена некоторой кривой на плоскости, если рассматривать значения ее аргумента как абсциссы, а значения функции как ординаты точек кривой.
Подобным же образом функция двух переменных может быть изображена графически.
Рассмотрим функцию , определенную в области на плоскости и систему прямоугольных декартовых координат . Каждой точке множества поставим в соответствие точку пространства , аппликата которой равна значению функции в точке : . Совокупность всех таких точек представляет собой некоторую поверхность, которую естественно принять за графическое изображение функции .
Определение 4.Графикомфункции двух переменных называется множество точек трехмерного пространства , аппликата которых связана с абсциссой и ординатой функциональным соотношением .
|
2. Функция трех переменных (n = 3)
Функцию трех переменных будем обозначать , при этом будем считать, что , и – независимые переменные (или аргументы), а – зависимая переменная (или функция).
Областью определения такой функции называется множество всех рассматриваемых троек чисел. Если функция задана аналитически, под ее естественной областью определения подразумевают совокупность всех троек чисел , для которых функция принимает действительные значения.
Определение 6.Окрестностью точки называется любая открытая сфера, содержащая точку .
В частности, -окрестностью называется открытая сфера с центром в точке и радиусом .
Изображая тройки чисел точками пространства , можно рассматривать функцию трех переменных как функцию точки пространства, а область определения функции трех переменных – как некоторое множество точек пространства.
Лекция 1 Теория функций двух и нескольких переменных (ТФНП). 1. Понятие ФНП. 2. Предел ФНП. 3. Непрерывность ФНП. 4. Частные производные первого порядка. 5. Производная сложной функции. 6. Производная неявной функции. 7. Производные высших порядков.
1. Понятие ФНП. Пусть множество D – область на плоскости. Определение. Если поставлено в соответствие число, то говорят, что на множестве D задана числовая функция D – область определения функции.
Если точка то отображение задается двумя координатами, функция 2 -х переменных Графиком такой функции будет множество точек с координатами x, y, z - поверхность в пространстве.
Геометрическая интерпретация f(x, y). D– некоторая часть плоскости 0 ХY z D – проекция графика функции f(x, y) на плоскость 0 ХY z f О x D x y y График функции – поверхность в пространстве.
2. Предел функции двух переменных. Пусть точка Множество точек называется таких, что - окрестностью точки
Определение. Пусть точка Если то точка P называется внутренней точкой множества D. Определение. Если все точки D внутренние для этого множества, то оно называется открытым. Определение. Всякое открытое множество, содержащее точку называется её окрестностью.
Определение. Множество любые две точки которого можно связать непрерывной кривой, лежащей в этом множестве, называется связным. Определение. Открытое связное множество называется областью.
Пусть функция окрестности точки определена в некоторой (не обязательно в самой точке Число А называется пределом функции при стремлении если
Обозначение. Замечание. Стремление может происходить по любому закону и направлению, при этом все предельные значения существуют и равны А.
Пример. Рассмотрим функцию Рассмотрим стремление проходящим через т. (0, 0): по прямым, значение А зависит от того как.
3. Непрерывность ФНП. Функция непрерывной в точке называется, если Если хотя бы одно из условий 1 -3 нарушено, то - точка разрыва.
Точки разрыва могут быть изолированными, образовывать линии разрыва, поверхности разрыва. Пример. а) Точка разрыва – (изолированная) б) - линия разрыва
Определение. Разность называется полным приращением функции. Определение. Пределы называются частными производными функции (при условии, что они существуют).
Правила вычисления частных производных ФНП совпадают с соответствующими правилами для функции одной переменной. Замечание. При вычислении производной ФНП по одной из переменных все остальные рассматриваются как постоянные. Пример.
Определение. Главная (линейная) часть полного приращения функции в точке называется полным дифференциалом функции в этой точке.
5. Производная сложной функции. Рассмотрим функцию где т. е. z – сложная функция x, y. Частные производные сложной функции по переменным x и y вычисляются так: (как и в случае сложной функции одной переменной).
Полная производная а) где т. е. z – сложная функция одного аргумента t. Тогда - полная производная функции по аргументу t.
V. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ
ФУНКЦИЙ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ
Понятие функции нескольких переменных
Ранее была рассмотрена функция одной независимой переменной. Однако, решая конкретные практические задачи, исследователь, в общем случае, сталкивается с такими явлениями, которые зависят сразу от нескольких независимых переменных величин. В качестве самых простых примеров этого можно привести необходимость вычисления площади прямоугольника либо объема параллелепипеда. Действительно, площадь прямоугольника определяется двумя независимыми друг от друга величинами – длинами сторон прямоугольника и :
Объем параллелепипеда определяется уже тремя независимыми величинами – длинами его ребер , , :
Можно привести и более сложные примеры. Иначе говоря, число независимых переменных величин может быть каким угодно. В этих случаях говорят, что искомая величина является функцией двух, трех или большего числа переменных.
Часто пытаются исключить второстепенные переменные и оставить только одну, основную, то есть пытаются получить функцию одной переменной. Но это не всегда возможно. Упрощение выражения дает часто функцию двух или трех переменных. Сразу же необходимо отметить, что исследование функций многих переменных имеет подобные методы. Поэтому для простоты будем изучать функции двух переменных и полученные результаты при необходимости обобщать затем на произвольный случай.
В случае одной переменной функция являлась оператором, который каждому элементу из множества ставил в соответствие один и только один элемент из множества .
Каким же образом определяется аргумент функции двух переменных? Так как мы исследуем функции действительных аргументов, то величина такой функции зависит от пары двух действительных чисел. С точки зрения теории множеств это не что иное, как произведение двух множеств и , к которым принадлежат переменные и .
Определение 5.1.1 . Пусть , а , тогда произведение дает новое множество , каждый элемент которого содержит пару чисел .
Из определения 5.1.1 следует, что, зная множество значений и функции двух переменных, можно найти область ее определения. Очевидно, это будут все возможные комбинации и .
Произведение двух действительных числовых множеств и образует множество в пространстве . Графическое представление этого произведения – это плоскость или часть этой плоскости.
Определение 5.1.2 . Функцией двух переменных называется соотношение, которое каждой паре чисел ставит в соответствие одно и только одно число .
Если имеется функция переменных, то ее областью определения будет пространство или его часть. Такое множество уже графически не представимо.
Функции двух переменных, так же как и функции одной переменной, можно представить с помощью таблицы, графика или аналитического выражения. Табличный способ наименее удобен, однако, при экспериментальном определении значения функции он может оказаться единственным. Более информативны графическое и аналитическое задание функции. При этом последний способ наиболее удобен, так как дает возможность провести полное исследование данного понятия.
Для графического представления функции двух переменных рисуют трехмерную систему координат, например, прямоугольную декартовую. На плоскости изображают область определения данной функции. В каждой точке области определения восстанавливается перпендикуляр, который имеет длину, равную значению функции в этой точке. Объединяя все полученные точки, получают некоторую поверхность (рис. 5.1.1). Таким образом, графически функция двух переменных – это некоторая поверхность. Для изображения функций большего числа переменных графический способ уже не применим.
При аналитическом задании функции двух переменных записывается формула , при помощи которой по заданным значениям независимых переменных отыскивается значение функции. Увеличение числа переменных при аналитическом задании функции проблем не создает (
).
При исследовании функции двух или нескольких переменных возникают те же понятия, что и для функции одной переменной: предел, непрерывность, приращения, производная.
Рассмотрим вначале сечения поверхности плоскостями и (рис. 5.1.2).
Так как на линии константой является , то на ней меняется лишь в зависимости от изменения . Если в точке задать приращение , то произойдет перемещение в точку 
. Разность аппликат в этих точках будет равна изменению значения функции , которое не будет зависеть от переменной .
Таким образом, давая приращение , получаем приращение , которое называется частным приращением по и обозначается .
Аналогично определяется частное приращение по : .
Давая одновременно приращения переменным и , получаем полное приращение функции: . При этом необходимо иметь в виду, что 
.
Введем теперь понятие окрестности точки на плоскости.
Определение 5.1.3
. -окрестностью точки с радиусом называется множество всех точек , которые удовлетворяют неравенству 
, или, иначе говоря, множество всех точек, которые лежат внутри круга радиуса с центром в точке (рис. 5.1.3).
На основании определения -окрестности можно ввести понятие предела функции двух переменных. Пусть функция определена в некоторой области (рис. 5.1.3). Возьмем в этой области некоторую точку . к точке;
3) определена во всех точках, но 
.
Определение. Переменная z (с областью изменения Z ) называется функцией двух независимых переменных х,у в множестве М , если каждой паре (х,у ) из множества М z из Z.
Определение. Множество М , в котором заданы переменные х,у, называется областью определения функции , множество Z –областью значений функции , а сами х,у – ее аргументами .
Обозначения: z = f(x,y), z = z(x,y).
Примеры.
Определение . Переменная z (с областью изменения Z ) называется функцией нескольких независимых переменных в множестве М , если каждому набору чисел из множества М по некоторому правилу или закону ставится в соответствие одно определенное значение z из Z. Понятия аргументов, области определения и области значения вводятся так же, как для функции двух переменных.
Обозначения: z = f , z = z .
Замечание. Так как пару чисел (х,у ) можно считать координатами некоторой точки на плоскости, то будем впоследствии использовать термин «точка» для пары аргументов функции двух переменных, а также для упорядоченного набора чисел , являющихся аргументами функции нескольких переменных.
Геометрическое изображение функции двух переменных
Рассмотрим функцию
z = f(x,y) , (15.1)
определенную в некоторой области М на плоскости Оху . Тогда множество точек трехмерного пространства с координатами (x,y,z) , где , является графиком функции двух переменных. Поскольку уравнение (15.1) определяет некоторую поверхность в трехмерном пространстве, она и будет геометрическим изображением рассматриваемой функции.
Область определения функции z = f(x,y) в простейших случаях представляет собой либо часть плоскости, ограниченную замкнутой кривой, причем точки этой кривой (границы области) могут принадлежать или не пренадлежать области определения, либо всю плоскость, либо,наконец, совокупностьнескольких частей плоскости xOy.
z = f(x,y)
Примерами могут служить уравнения плоскости z = ax + by + c
и поверхностей второго порядка: z = x ² + y ² (параболоид вращения),
(конус) и т.д.
Замечание. Для функции трех и более переменных будем пользоваться термином «поверхность в n -мерном пространстве», хотя изобразить подобную поверхность невозможно.
Линии и поверхности уровня
Для функции двух переменных, заданной уравнением (15.1), можно рассмотреть множество точек (х,у) плоскости Оху , для которых z принимает одно и то же постоянное значение, то есть z = const. Эти точки образуют на плоскости линию, называемую линией уровня .
Пример.
Найдем линии уровня для поверхности z = 4 – x ² - y ². Их уравнения имеют вид x ² + y ² = 4 – c (c =const) – уравнения концентрических окружностей с центром в начале координат и с радиусами . Например, при с =0 получаем окружность x ² + y ² = 4 .
Для функции трех переменных u = u (x, y, z) уравнение u (x, y, z) = c определяет поверхность в трехмерном пространстве, которую называют поверхностью уровня .
Пример.
Для функции u = 3x + 5y – 7z –12 поверхностями уровня будет семейство параллельных плоскостей, задаваемых уравнениями 3x + 5y – 7z –12 + с = 0.
Предел и непрерывность функции нескольких переменных
Введем понятие δ-окрестности точки М 0 (х 0 , у 0) на плоскости Оху как круга радиуса δ с центром в данной точке. Аналогично можно определить δ-окрестность в трехмерном пространстве как шар радиуса δ с центром в точке М 0 (х 0 , у 0 , z 0) . Для n -мерного пространства будем называть δ-окрестностью точки М 0 множество точек М с координатами , удовлетворяющими условию
где - координаты точки М 0 . Иногда это множество называют «шаром» в n -мерном пространстве.
Определение. Число А называется пределом функции нескольких переменных f в точке М 0 , если такое, что | f(M) – A | < ε для любой точки М из δ-окрестности М 0 .
Обозначения: .
Необходимо учитывать, что при этом точка М может приближаться к М 0 , условно говоря, по любой траектории внутри δ-окрестности точки М 0 . Поэтому следует отличать предел функции нескольких переменных в общем смысле от так называемых повторных пределов , получаемых последовательными предельными переходами по каждому аргументу в отдельности.
Примеры.
Замечание. Можно доказать, что из существования предела в данной точке в обычном смысле и существования в этой точке пределов по отдельным аргументам следует существование и равенство повторных пределов. Обратное утверждение неверно.
Определение Функция f называется непрерывной в точке М 0 , если (15.2)
Если ввести обозначения , то условие (15.2) можно переписать в форме (15.3)
Определение . Внутренняя точка М 0 области определения функции z = f (M) называется точкой разрыва функции, если в этой точке не выполняются условия (15.2), (15.3).
Замечание. Множество точек разрыва может образовывать на плоскости или в пространстве линии или поверхности разрыва .
Примеры.
Свойства пределов и непрерывных функций
Так как определения предела и непрерывности для функции нескольких переменных практически совпадает с соответствующими определениями для функции одной переменной, то для функций нескольких переменных сохраняются все свойства пределов и непрерывных функций, доказанные в первой части курса, а именно:
1) Если существуют то существуют и (если ).
2) Если а и для любого i существуют пределы и существует , где М 0 , то существует и предел сложной функции при , где - координаты точки Р 0 .
3) Если функции f(M) и g(M) непрерывны в точке М 0 , то в этой точке непрерывны и функции f(M) + g(M), kf(M), f(M) g(M), f(M)/g(M) (если g(M 0) ≠ 0).
4) Если функции непрерывны в точке Р 0 , а функция непрерывна в точке М 0 , где , то сложная функция непрерывна в точке Р 0 .
5) Функция непрерывная в замкнутой ограниченной области D , принимает в этой области свое наибольшее и наименьшее значения.
6) Если функция непрерывная в замкнутой ограниченной области D , принимает в этой области значения А и В , то она принимает в области D и любое промежуточное значение, лежащее между А и В .
7) Если функция непрерывная в замкнутой ограниченной области D , принимает в этой области значения разных знаков, то найдется по крайней мере одна точка из области D , в которой f = 0.
Частные производные
Рассмотрим изменение функции при задании приращения только одному из ее аргументов – х i , и назовем его .
Определение . Частной производной функции по аргументу х i называется .
Обозначения: .
Таким образом, частная производная функции нескольких переменных определяется фактически как производная функции одной переменной – х i . Поэтому для нее справедливы все свойства производных, доказанные для функции одной переменной.
Замечание. При практическом вычислении частных производных пользуемся обычными правилами дифференцирования функции одной переменной, полагая аргумент, по которому ведется дифференцирование, переменным, а остальные аргументы – постоянными.
Примеры .
1. z = 2x ² + 3xy –12y ² + 5x – 4y +2,
2. z = x y ,
Геометрическая интерпретация частных производных функции двух переменных
Рассмотрим уравнение поверхности z = f (x,y) и проведем плоскость х = const. Выберем на линии пересечения плоскости с поверхностью точку М (х,у) . Если задать аргументу у приращение Δу и рассмотреть точку Т на кривой с координатами (х, у+ Δу, z+ Δ y z ), то тангенс угла, образованного секущей МТ с положительным направлением оси Оу , будет равен . Переходя к пределу при , получим, что частная производная равна тангенсу угла, образованного касательной к полученной кривой в точке М с положительным направлением оси Оу. Соответственно частная производная равна тангенсу угла с осью Ох касательной к кривой, полученной в результате сечения поверхности z = f (x,y) плоскостью y = const.
Дифференцируемость функции нескольких переменных
При исследовании вопросов, связанных с дифференцируемостью, ограничимся случаем функции трех переменных, поскольку все доказательства для большего количества переменных проводятся так же.
Определение . Полным приращением функции u = f(x, y, z) называется
Теорема 1. Если частные производные существуют в точке (х 0 , у 0 , z 0 ) и в некоторой ее окрестности и непрерывны в точке (x 0 , y 0 , z 0 ) , то- ограниченные (т.к. их модули не превышают 1).
Тогда приращение функции, удовлетворяющей условиям теоремы 1, можно представить в виде: , (15.6)
Определение . Если приращение функции u = f (x, y, z) в точке (x 0 , y 0 , z 0) можно представить в виде (15.6), (15.7), то функция называется дифференцируемой в этой точке, а выражение - главной линейной частью приращения или полным дифференциалом рассматриваемой функции.
Обозначения: du, df (x 0 , y 0 , z 0).
Так же, как в случае функции одной переменной, дифференциалами независимых переменных считаются их произвольные приращения, поэтому
Замечание 1. Итак, утверждение «функция дифференцируема» не равнозначно утверждению «функция имеет частные производные» - для дифференцируемости требуется еще и непрерывность этих производных в рассматриваемой точке.
.Рассмотрим функцию и выберем х 0 = 1, у 0 = 2. Тогда Δх = 1,02 – 1 = 0,02; Δу = 1,97 – 2 = -0,03. Найдем ,
Следовательно, учитывая, что f (1, 2) = 3, получим.
Функции многих переменных
§1. Понятие функции многих переменных.
Пусть имеется n
переменных величин
.
Каждый набор
обозначает точку n
-
мерного
множества
(п
-мерный
вектор).
Пусть даны множества
и
.
Опр
.
Если каждой точке
ставится в соответствие единственное
число
,
то говорят, что задана числовая функция
n
переменных:
.
называют областью определения,
- множеством значений данной функции.
В случае n
=2
вместо
обычно пишут x
,
y
,
z
.
Тогда функция двух переменных имеет
вид:
z = f (x , y ).
Например,
- функция двух переменных;
- функция трех
переменных;
Линейная функция n переменных.
Опр
.
Графиком функции n
переменных называется n
-
мерная
гиперповерхность в пространстве
,
каждая точка которой задается координатами
Например, графиком
функции двух переменных z
=
f
(x
,
y
)
является
поверхность в трехмерном пространстве,
каждая точка которой задается координатами
(x
,
y
,
z
)
,
где
,
и
.
Поскольку график функции трех и более переменных изобразить не представляется возможным, в основном мы будем (для наглядности) рассматривать функции двух переменных.
Построение графиков функций двух переменных является довольно сложной задачей. Существенную помощь в ее решении может оказать построение так называемых линий уровня.
Опр . Линией уровня функции двух переменных z = f (x , y ) называется множество точек плоскости ХОУ , являющихся проекцией сечения графика функции плоскостью, параллельной ХОУ. В каждой точке линии уровня функция имеет одно и то же значение. Линии уровня описываются уравнением f (x , y )=с , где с – некоторое число. Линий уровня бесконечно много, и через каждую точку области определения можно провести одну из них.
Опр
.
Поверхностью уровня функции n
переменных y
=
f
(
)
называется гиперповерхность в пространстве
,
в каждой точке которой значение функции
постоянно и равно некоторому значению
с
.
Уравнение поверхности уровня: f
(
)=с.
Пример . Построить график функции двух переменных
.
.
При с=1:
;
.
При с=4:
;
.
При с=9:
;
.
Линии уровня – концентрические окружности, радиус которых уменьшается с ростом z .
§2. Предел и непрерывность функции многих переменных.
Для функций многих переменных определяются те же понятия, что и для функции одной переменной. Например, можно дать определения предела и непрерывности функции.
Опр
.
Число А называется пределом функции
двух переменных z
=
f
(x
,
y
)
при
,
и обозначается
,
если для любого положительного числа
найдется положительное число
,
такое, что если точка
удалена от точки
на расстояние меньше
,
то величины f
(x
,
y
)
и А отличаются
меньше чем на
.
Опр
.
Если функция z
=
f
(x
,
y
)
определена в точке
и имеет в этой точке предел, равный
значению функции
,
то она называется непрерывной в данной
точке.
.
§3. Частные производные функции многих переменных.
Рассмотрим функцию
двух переменных
.
Зафиксируем
значение одного из ее аргументов,
например
,
положив
.
Тогда функция
есть функция одной переменной
.
Пусть она имеет производную в точке
:
.
Данная производная
называется частной производной (или
частной производной первого порядка)
функции
по
в точке
и обозначается:
;
;
;
.
Разность
называется частным приращением по
и обозначается
:
Учитывая приведенные обозначения, можно записать
.
Аналогично определяется
.
Частной производной функции нескольких переменных по одной из этих переменных называется предел отношения частного приращения функции к приращению соответствующей независимой переменной, когда это приращение стремится к нулю.
При нахождении частной производной по какому-либо аргументу другие аргументы считаются постоянными. Все правила и формулы дифференцирования функций одной переменной справедливы для частных производных функции многих переменных.
Заметим, что частные производные функции являются функциями тех же переменных. Эти функции, в свою очередь, могут иметь частные производные, которые называются вторыми частными производными (или частными производными второго порядка) исходной функции.
Например, функция
имеет четыре частных производных второго
порядка, которые обозначаются следующим
образом:
;
;
;
.
и
- смешанные частные производные.
Пример. Найти частные производные второго порядка для функции
.
Решение.
,
.
,
.
, 
.
Задание .
1. Найти частные производные второго порядка для функций
,
;
2. Для функции
доказать, что
.
Полный дифференциал функции многих переменных.
При одновременном
изменении величин х
и у
функция
изменится на величину
,
называемую полным приращением функции
z
в точке
.
Так же, как и в случае функции одной
переменной, возникает задача о
приближенной замене приращения
на линейную функцию от
и
.
Роль линейного приближения выполняет
полный
дифференциал
функции:
Полный дифференциал второго порядка:
=
.
=
.
В общем виде полный дифференциал п -го порядка имеет вид:
Производная по направлению. Градиент.
Пусть функция
z
=
f
(x
,
y
)
определена в некоторой окрестности
точки M(x
,
y
)
и
- некоторое направление, задаваемое
единичным вектором
.
Координаты единичного вектора выражаются
через косинусы углов, образуемых вектором
и осями координат и называемых
направляющими косинусами:
,
.
При перемещении
точки M(x
,
y
)
в данном направлении l
в точку
функция z
получит приращение
называемое приращением функции в данном направлении l .
Если ММ 1 =∆l , то
Т
О
функции z
=
f
(x
,
y
)
по направлению
называется предел отношения приращения
функции в этом направлении к величине
перемещения ∆l
при стремлении последней
к нулю:
Производная по
направлению характеризует скорость
изменения функции в данном направлении.
Очевидно, что частные производные
и
представляют собой производные по
направлениям, параллельным осям Ox
и Oy
.
Нетрудно показать, что
Пример
.
Вычислить производную функции
в точке (1;1) по направлению
.
Опр . Градиентом функции z = f (x , y ) называется вектор с координатами, равными частным производным:
.
Рассмотрим скалярное
произведение векторов
и
:
Легко видеть, что
,
т.е. производная по направлению равна
скалярному произведению градиента и
единичного вектора направления
.
Поскольку
,
то скалярное произведение максимально,
когда векторы одинаково направлены.
Таким образом, градиент функции в точке
задает направление наискорейшего
возрастания функции в этой точке, а
модуль градиента равен максимальной
скорости роста функции.
Зная градиент функции, можно локально строить линии уровня функции.
Теорема
.
Пусть задана дифференцируемая функция
z
=
f
(x
,
y
)
и в точке
градиент функции не равен нулю:
.
Тогда градиент перпендикулярен линии
уровня, проходящей через данную точку.
Таким образом, если, начиная с некоторой точки, строить в близких точках градиент функции и малую часть перпендикулярной ему линии уровня, то можно (с некоторой погрешностью) построить линии уровня.
Локальный экстремум функции двух переменных
Пусть функция
определена и непрерывна в некоторой
окрестности точки
.
Опр
.
Точка
называется точкой локального максимума
функции
,
если существует такая окрестность точки
,
в которой для любой точки
выполняется неравенство:
.
Аналогично вводится понятие локального минимума.
Теорема (необходимое условие локального экстремума) .
Для того, чтобы
дифференцируемая функция
имела локальный экстремум в точке
,
необходимо, чтобы все ее частные
производные первого порядка в этой
точке были равны нулю:
Итак, точками
возможного наличия экстремума являются
те точки, в которых функция дифференцируема,
а ее градиент равен 0:
.
Как и в случае функции одной переменной,
такие точки называются стационарными.
