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 |
|
|
(в |
точке |
Mi меняется |
||||||||||||
1,m |
||||||||||||||||||||
только |
одна |
|
i-я |
координата), |
|
|
и |
|
|
|
точку |
|||||||||
M x1 |
x1,x2 |
x2,...,xm |
xm . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
0 |
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Определение. |
Частным |
приращением по i-й |
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 |
|||||||||||