Материал: 1510

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

y

y

0

x

0 x

Рис. 8

Рис. 9

ЛЕКЦИЯ №3.

ЧАСТНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ, ДИФФЕРЕНЦИАЛ.

ДИФФЕРЕНЦИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ

ИНЕЯВНЫХ ФУНКЦИЙ

1.Частные и полные приращения, частные производные,

дифференциалы функции двух переменных

Рассмотрим

z f x0,y0 и

точки M0 x0,y0 ,

M1 x0 x,y0 ,

M2 x0,y0 y , M x0 x,y0 y

(рис. 10). Если x и y малы, то

точки M1, M2, М принадлежат

окрестности точки M0.

M0,M x 2 y 2 .

y

М2

М

y0 y

 

 

y0

М0

М1

 

 

0

x0 x0 x x

 

Рис. 10

 

x и y называют приращением аргумента по переменным x и

y в точке M0.

Определение. Частным приращением функции по переменным x

иy в точке M0 называются величины

x z M0 z M1 z M0 f x0 x,y0 f x0,y0 ;

y z M0 z M2 z M0 f x0,y0 y f x0,y0 .

Определение. Полным приращением функции по переменным x

и y в точке M0 называется величина

z M0 z M z M0 f x0 x,y0 y f x0,y0 .

Определение. Частными производными функции z f x,y в

точке M0 по переменным x или y называется предел отношения

частного приращения функции к соответствующему приращению аргумента, когда последний стремится к нулю и обозначаются

zx M0

lim

 

x

z M

0

 

M0

lim

y z M0

 

 

 

 

; zy

 

 

 

.

 

 

x

 

 

 

y

 

 

x 0

 

 

 

 

 

y 0

 

 

Механический смысл частных

производных

мгновенная

скорость изменения функции в точке M0 в направлении оси Оx или

Oy.

Определение.

Частным дифференциалом функции z f x,y в

точке M0

по x

или y называется главная часть частного приращения

функции

по

x

или

y , линейная относительно

x или

y.

Обозначаются частные дифференциалы dxz M0 и

dyz M0 . Легко

показать,

что

частные

дифференциалы

имеют

вид

dxz M0 zx M0 x;

dyz M0 zy M0 y.

 

 

Определение.

Полным дифференциалом функции z f x,y в

точке M0 называется главная часть полного приращения функции,

линейная относительно x и y, причем если функция имеет полный

дифференциал dz M0 , то

dz M0 zx M0 x zy M0 y. Тогда

полное приращение функции в точке M0 можно представить в виде

z M0 dz M0 x, y ,

где x, y бесконечно малого большего

порядка малости, чем x 2 y 2 , т. е. lim x, y 0.

x 0y 0

Если полное приращение функции можно так представить, то функция имеет полный дифференциал и ее называют дифференцируемой в точке, т. е. дифференциал функции есть бесконечно малая величина относительно бесконечно малых x и

y, эквивалентная полному приращению функции.

Теорема (необходимое и достаточное условие дифференцируемости). Функция z f x,y дифференцируема в точке тогда и только тогда, когда она имеет в этой точке непрерывные частные производные.

Замечания:

1)dz dxz dy z;

2)z x z y z.

Пример. Найти частные приращения, полное приращение,

частные дифференциалы, полный дифференциал, частные производные в точке M0 1;2 функции z xy2 2x 3y.

Решение. Возьмем точки М1 1 x;2 , M2 1;2 y ,

M 1 x;2 y ; тогда x z M0 z M1 z M0

1 x 4 21 x 6 4 2 6 6 x dxz M0 ;

zx M0 6;

y z z M2 z M0 1 2 y 2 21 3 2 y 12

 

7 y y 2 ~ 7 y; dyz 7 y; zy M0 7;

 

y 0

 

z z M z M0 1 x 2 y 2 21 x 3 2 y 12

7 y y 2 6 x 4 x y x y 2

~ 7 y 6 x ;

 

x 0

 

y 0

dz M0 6 x 7 y.

Для независимых переменных x dx; y dy, тогда полный дифференциал имеет вид dz zxdx zydy.

Замечание. Частные производные можно обозначить следующим

образом: zx fx x,y z f x,y .

x x

Правило нахождения частных производных

Чтобы найти частную производную по одной из переменных x y , необходимо вторую переменную y x зафиксировать (т. е.

считать постоянной) и находить производную как от функции одной переменной x y , пользуясь таблицей и правилами нахождения производной для функции одной переменной.

Пример. z ln x y2 ;

zx ln x y2 x

 

1

x y

2

x

 

1

;

 

 

 

 

 

 

 

x y2

 

x y2

zy ln x y2 y

 

2y

;

dz

dx 2ydy

.

 

 

 

 

 

 

x y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x y2

 

 

 

 

 

 

2. Частные дифференциалы и производные,

полный дифференциал функции нескольких переменных

 

 

Рассмотрим функцию u f x1,...,xm ; M0 x1

,...,xm

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1 ,...,xi

 

 

 

0

 

,

0

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим

точки

Mi

 

xi

,...,xm

i

 

;

xi

0

1,m

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

приращения

аргументов

x1,...,xm ,

i

 

 

точке

Mi меняется

1,m

только

одна

 

i

координата),

 

 

и

 

 

 

точку

M x1

x1,x2

x2,...,xm

xm .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение.

Частным

приращением по i

переменной

функции u f x1,...,xm

в

точке

 

M0

называется

 

выражение

 

f Mi f M0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xi u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

M0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение. Полным приращением функции в точке M0,

соответствующим приращениям аргументов xi , i 1,m, называется

выражение u

f M f M0 .

 

M0

Определение. Частной производной по i-й переменной функции u f x1,...,xm в точке M0 называется предел отношения соответствующего частного приращения функции к приращению аргумента xi, когда последний стремится к нулю:

ux

M0 lim

x

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

, i 1,m.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

xi 0

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание.

Частные производные могут обозначаться

 

 

 

 

 

ux

 

u

fx

M

f

M .

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

i

 

i

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

i

 

Определение.

Полным дифференциалом функции u f x1,...,xm