ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЭКОНОМИКИ И ИНФОРМАТИКИ
КАФЕДРА МАТЕМЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В ЭКОНОМИКЕ
РЕФЕРАТ
НА ТЕМУ:
“ЧАСТНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ”
ВЫПОЛНИЛ:
СТУДЕНТ II КУРСА ГР. И-04-2
ПИВКОВ В.А.
ПРОВЕРИЛ:
ВОРОНОВА Е.А.
г. Липецк - 2006
Содержание.
I.
Функции нескольких переменных.
II.
Частные производные
III.
Частные производные и дифференциалы высших порядков
Список литературы
ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПРЕМЕННЫХ.
Определение функции нескольких переменных.
Переменная z
называется функцией двух независимых переменных x
и y
, если некоторым парам значении x
и y
по какому – либо правилу или закону ставится в соответствие определенное значение z.
Множество G
пар значений x
и y
, которые могут принимать переменные x
и y
, называется областью определения функции, а множество всех значений, принимаемых z
в области определения, - областью значений функции z
. Переменные x
и называются аргументами функции.
Пара чисел x
и y
определяет положение точки M
на плоскости xOy
с координатами x
и y
. Поэтому функцию двух переменных можно рассматривать либо как функцию двух переменных
можно рассматривать как функцию точки M
, либо как скалярную функцию векторного аргумента
.
Каждой тройке (x; y; z) в пространстве Oxyz соответствует точка M(x; y; z). Совершенно аналогично случаю двух переменных можно дать определение функции трех переменных
. Областью определения функции трех переменных будет все пространство или его часть.
Аналогично можно дать определение функции четырех и более переменных.
1.2
Предел функции двух переменных.
Множество точек M(x; y), координаты x и y которых удовлетворяют неравенству
или
называется δ-окрестность точки
.
Определение.
ЧислоA
называет пределом функции
при стремлении точки M
к точке
, если для любого ε>0
существует такое δ>0
, что для всех точек M
из области определения этой функции, удовлетворяющих условию
имеет место неравенство
. Обозначают это так:
или
Функция
называется бесконечно малой при
если
1.3
Непрерывность функции двух переменных.
Пусть точка
принадлежит области определения
. Определение.
Функция
называется непрерывной в точке
если
или
причем точка M стремится к M0
произвольным образом, оставаясь в области определения функции.
Обозначим
,
. Полным приращением
при переходе от точки
, к точке M называется разность значении функции в этой точке
, т.е.
Частные производные.
2.1 Частные производные.
Частной производной
функции нескольких переменных по какой-нибудь переменной в рассматриваемой точке называется обычная производная по этой переменной, считая другие переменные фиксированными (постоянными). Например, для функции двух переменных
в точке
частные производные определяются так:
,
,
если эти пределы существуют. Величина
называется частным приращением
функции z
в точке
по аргументу
. Используются и другие обозначения частных производных:
,
,
, ,
,
,
, .
Символы
,
,
,
как дроби трактовать нельзя (в этом отличие от случая одной переменной).
Из определения следует геометрический смысл частной производной функции двух переменных: частная производная
- угловой коэффициент касательной к линии пересечения поверхности
и плоскости
в соответствующей точке
.
Пользуясь понятием скорости изменения переменной, можно сказать, что частная производная
есть скорость изменения функции
относительно
при постоянном .
Из определения частных производных следует, что правила вычисления их остаются теми же, что для функций одной переменной, и только требуется помнить, по какой переменной ищется производная.
Пример 1. Если
, то
,
.
Пример 2. Если
, то
,
. Величина
называется изотермическим коэффициентом упругости идеального газа.
Аналогично определяются и обозначаются частные производные функции трех и большего числа независимых переменных.
2.2
Полный дифференциал.
. (1)
Если приращение (1) можно представить в виде
, (2)
Где А
и В
не зависят от
и
, а
и
стремятся к нулю при стремлении к нулю
и
, то функция
называется дифференцируемой
в точке
, а линейная часть
приращения функции (т.е. та часть
, которая зависит от
и
линейно) называется полным дифференциалом
(или просто дифференциалом
) этой функции в точке
и обозначается символом
:
. (3)
Из определения дифференцируемости функции следует, что если данная функция дифференцируема в точке
, то она в этой точке непрерывна.
Действительно, если в точке
функция
дифференцируема, то для этой точки
представимо в форме (2), откуда следует, что
,
а это и означает, что в точке
функция
непрерывна.
Из дифференцируемости функции в данной точке следует существование ее частных производных в этой точке (необходимое условие дифференцируемости
).
В самом деле, пусть функция
в точке
дифференцируема. Тогда имеет место соотношение (2). Полагая в нем
, имеем:
.
Деля на
и переходя к пределу при
, получаем:
.
Это означает, что в точке
существует частная производная функции
по
и
. (4)
Аналогично доказывается, что в точке
существует частная производная
. (5)
Используя формулы (4) и (5), можно переписать выражение (3) в виде
.
Если положить
, то
, т.е.
. Аналогично, полагая
, получим
. Значит, дифференциалы независимых переменных совпадают с приращениями этих переменных, и можно записать дифференциал (3) в следующем виде: .
Теорема
(достаточное условие дифференцируемости). Если функция
имеет частные производные в некоторой окрестности точки
и эти производные непрерывны в самой точке
, то эта функция дифференцируема в точке .
Доказательство
. Дадим переменным
и
столь малые приращения
и
, чтобы точка
не вышла за пределы указанной окрестности точки
. Полное приращение
можно записать в виде .
Каждая из этих разностей представляет частное приращение функции. Преобразует каждую из этих разностей по формуле Лагранжа. Получим:
(6)
Так как производные
и
непрерывны в точке
, то
,
Отсюда
,
, где
и
- бесконечно малые при
,
. Подставляя эти значения в равенство (6), находим:
,
а это и означает, что функция
дифференцируема в точке
.
2.3 Производные и дифференциал сложной функции.
Пусть
, где
,
. Тогда в конечном итоге z
будет функцией одной переменной t
. Предположим, что
,
непрерывны и
,
существуют. Найдем
. Дадим переменной t
приращение
. Тогда x
,
y
,
а следовательно, и z
получат свои приращения
,
и
. В силу достаточного условия дифференцируемости
,
откуда
.
Устремим теперь
к нулю. Тогда
и
будут стремиться к нулю, так как функции x
иy
непрерывны (мы предположили существование производных
и
), а потому
и
будут стремиться к нулю. В пределе получим:
,
или, короче,
. (7)
Формула (7) называется формулой производной сложной функции
.
Пример 1. Пусть
,
,
. По формуле (7) имеем:
.
Предположим, в частности, что роль независимой переменной играет, т.е. рассмотрим функцию
, где
. Согласно формуле (7) будем иметь:
, (8)
так как
. В формуле (8)
- частная производная по первому аргументу функции двух переменных
, а
- обычная производная сложной функции одной переменной x
:
. Последнюю производную будем называть полной производной
функции. В случае, когда
, где
, аналогично получает:
(
- частная производная по второму аргументу функции
,
- полная производная функции одной переменной y: ).
Пусть теперь
,
( здесь предполагается существование первых производных функций
,
по
и
). В этом случае z
будет функцией двух независимых переменных
и
. Следовательно, для этого случая формулу (7) нужно переписать в виде
. (9)
Аналогично
. (10)
Пример 2. Если
, где
, от
, .
Из формул (9) и (10) видно, что символ частной производной, как уже отмечалось выше, нельзя трактовать как дробь. В самом деле, если бы можно было сократить на
и
, то из формул (9) и (10) получили бы, что
и
.
2.3
Неявные функции и их дифференцирование.
Если уравнение, с помощью которого задается функция одной переменной x
, не разрешено относительно y
, то эта функция называется неявной
. Разрешая это уравнение относительно y
,
мы получаем ту же функцию, но уже заданную в явной форме. Однако часто бывает, что разрешить такое уравнение относительно y
невозможно (например,
) или нецелесообразно; в этом случае уравнение так и оставляют неразрешенным, в общем виде (когда все его члены перенесены в левую часть):
. (11)
В связи с этим встает вопрос о том, как найти производную неявной функции, не разрешая уравнения (11) относительно у
.
Если в уравнении (11), определяющем неявную функцию
, задавать значения независимой переменной х
, то для нахождения соответствующего значения у
надо решать уравнение. Теперь, если в это уравнение подставить его решение, то получится тождество. Поэтому можно сказать также, что неявная функция
, определенная уравнением (11), - это такая функция, которая, будучи подставлена в уравнение (11), обращает его в тождество. Дифференцируя это тождество по x
согласно правилу дифференцирования сложной функции, получим:
.
Отсюда при
вытекает формула для производной неявной функции
. (12)
Пример 1. Пусть y
как функция от x
задана соотношением
. Найти
.
Для
имеем:
,
и согласно формуле (12)
.
Пусть уравнение
(13)
Определяет z
как неявную функцию
независимых переменных x
иy
.
Пользуясь формулой (12), из равенства (13) имеем:
,
. (14)
Пример 2. Найти частные производные неявной функции z
, заданной уравнением
.
Согласно формулам (14)
,
Частные производные и дифференциалы высших порядков.
3.1
Частные производные высших порядков.
Частные производные функции нескольких переменных сами являются функциями этих переменных и могут иметь частные производные. Для исходной функции эти последние производные будут частными производными второго порядка
. Так, для функции
двух независимых переменных можно определить (предполагается, что все производные существуют) четыре частные производные второго порядка, которые обозначаются символами
,
,
,
.
Частные производные
и
, отличающиеся порядком дифференцирования, называются смешанными частными производными второго порядка
.
Аналогично определяются частные производные третьего, четвертого и старших порядков.
Пример. Найти частные производные второго порядка функции
.
Имеем:
,
,,
,
,
,
.
Здесь
=
. Оказывается, имеет место следующая теорема.
Теорема
. Смешанные производные второго порядка равны, если они непрерывны:
=
.
Следствие.
Смешанные производные высших порядков равны, если они непрерывны и получены в результате дифференцирования по одним и тем же переменным одинаковое число раз, но может быть в разной последовательность
.
Покажем это на примере:
,
т.е.
.
Здесь мы дважды пользовались только что отмеченной теоремой: первый раз применительно к функции
(мы изменили порядок ее дифференцирования), второй раз использовали равенство
=
. В общем случае схема рассуждений аналогична.
3.2
Признак полного дифференцирования.
Выясним, при каких условиях выражение
, (1)
где
и
непрерывны и вместе со своими частными производными первого порядка, является полным дифференциалом некоторой функции
, или, кратко, полным дифференциалом.
Теорема
. Выражение
(1) есть полный дифференциал тогда и только тогда, когда выполнено равенство
.
3.3. Дифференциалы высших порядков.
Заметим прежде всего, что для функции нескольких переменных справедливы те же общие правила дифференцирования, что и для функции одной переменной:
I.
,
.
II.
.
III.
.
IV.
.
Пусть имеется функция
независимых переменных x
иy
, обладающая непрерывными частными производными второго порядка. Рассмотрим ее полный дифференциал
(dx
иdy
– произвольные приращения), который назовем полным дифференциалом
первого порядка
(или, кратко, первым дифференциалом
).
Так как
и
по предложению имеют непрерывные частные производные первого порядка, то от функции
, в свою очередь, можно взять полный дифференциал
. Так получим полный дифференциал второго порядка
(или, кратко, второй дифференциал
), который обозначается
.
Аналогично, потребовав существование непрерывных частных производных третьего, четвертого, п
-го порядков, можно получить полные дифференциалы соответственно третьего, четвертого, п
-ого порядков.
Найдем выражения для второго дифференциала через частные производные. Пользуясь правилами I, III (dx
иdy
не
зависят отx
иy
, т.е. рассматриваются как постоянные) и приведенной в п. 3.1 теоремой, можно записать:
(2)
(здесь
,
).
Формула (2) обобщается на случай дифференциала п
-го порядка.
|