РефератыМатематикаЧаЧастные производные

Частные производные

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.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Частные производные

Слов:2019
Символов:15936
Размер:31.13 Кб.