Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

5_УМК

.PDF
Скачиваний:
34
Добавлен:
17.03.2015
Размер:
1.51 Mб
Скачать

f (x, y) = x sin 1 sin 1 + y sin 1 sin 1 . При фиксированном y, y 0 первое сла-

 

 

x

 

 

 

 

y

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

sin

1

 

 

 

 

 

1

sin

1

 

 

гаемое x sin

 

 

 

 

0

при x lim x sin

 

 

 

 

= 0

.

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

y

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

0

 

 

 

 

y

 

 

Во втором слагаемом произведение y sin

1

является постоянным, отличным

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

от нуля, если y

 

1

(n Z), а сомножитель sin

1

не имеет предела при x 0 : в

πn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

сколь угодно малой окрестности точки x = 0 функция sin

1

принимает все зна-

x

 

 

чения от -1 до 1. Следовательно, второе слагаемое y sin

1

sin

1

, а значит, и вся

x

y

 

 

 

 

 

функция f (x, y) не имеет предела при x 0 и фиксированном y , y 0;

1

.

 

 

 

 

 

 

πn

Таким образом, указанный внутренний предел не существует, а поэтому не суще-

ствует повторный предел lim lim f (x, y). Аналогично доказывается, что не суще-

y0 x0

ствует другой повторный предел lim lim f (x, y).

x0 y0

2.3 НЕПРЕРЫВНОСТЬ ФУНКЦИИ

Функция u = f (M) называется непрерывной в точке M 0 , если:

1) f (M) определена в точке M 0 и некоторой ее окрестности;

2) существует предел lim f (M);

MM0

3) этот предел равен значению функции в точке M 0 ,

т.е.

lim f (M) = f (M 0 ).

MM0

Точка M 0 называется точкой разрыва функции u = f (M), если для нее не

выполняется хотя бы одно из данных условий. Точки разрыва данной функции могут располагаться как отдельно (изолированные точки разрыва), так и заполнять целые линии (линии разрыва).

Функция u = f (M) называется непрерывной в некоторой области, если она непрерывна в каждой точке этой области.

51

Примеры решения задач

ПРИМЕР 2.13 Исследовать на непрерывность функцию u =

x y

.

x 3 y3

 

 

Решение. Данная функция является дробно-рациональной функцией переменных x и y . Она не определена в тех точках, где знаменатель дроби равен ну-

лю (x 3 y3 = 0), т.е. функция не определена на прямой y = x .

Таким образом, прямая y = x есть линия разрыва данной функции. В остальных точках плоскости (x, y) функция определена. Отметим, что в любой точке M1 (a, a) (a ≠ 0), лежащей на прямой y = x и не совпадающей с точкой O(0;0) существует предел функции:

lim

x y

 

= lim

 

1

=

1

. Поэтому точки M1 (a, a) при a 0 мож-

x 3 y3

 

xy + y2

a 2

xa

 

xa x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

ya

 

 

 

ya

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

но

назвать

 

точками

устранимого

разрыва функции,

т.к. если

положить

u(a, a ) =

1

 

, то функция станет непрерывной в точке M1 (a, a).

 

 

 

a 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В точке O(0;0)

имеем lim f (x, y) = lim

 

 

= ∞ , т.е. эта точка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

x0 x 2 xy + y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

y0

 

 

 

 

 

является точкой разрыва 2-го рода данной функции.

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 2.14 Исследовать на непрерывность функцию u =

x 2 + 2y + 4

 

 

 

.

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

Решение. Функция u = f (x, y) непрерывна как отношение многочленов во всех точках, кроме тех, где знаменатель обращается в нуль. Таким образом, точки разрыва 2-го рода расположены на линии y2 2x = 0 y2 = 2x , т.е. на параболе.

ПРИМЕР 2.15 Исследовать на непрерывность функцию u = cos 1 . x y

Решение. Данная функция сложная: u = cos ϑ, где ϑ = 1 . Функция x y

cos ϑ непрерывна при любом значении аргумента ϑ. Точки разрыва надо искать

для функции ϑ = 1 , в этих точках будет разрывна и вся сложная функция u. x y

Функция ϑ = 1 , очевидно, терпит разрыв вдоль прямой y = x . При прибли- x y

жении точки M(x, y) к одной из точек прямой y = x функция u = cos 1 x y

52

= yx y1 .

производит бесконечно много колебаний в пределах [1,1] и, следовательно, никакого предела не имеет.

2.4 ЧАСТНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ ФУНКЦИИ

Частные производные функции u = f (x, y, z) по аргументам x, y и z соответственно определяются как соответствующие пределы (если они существуют):

U

x

U

y

U

z

= lim

f (x + x, y, z)f (x, y, z)

,

 

 

 

x0

x

= lim

f (x, y +

y, z)f (x, y, z)

,

 

 

 

y0

y

= lim

f (x, y, z +

z) f (x, y, z)

.

 

 

z0

z

При фиксированных значениях всех аргументов, кроме, например, x, функция u = f (x, y, z) становится функцией одной переменной. Производная этой функции по переменной x и есть частная производная u = f (x, y, z) по аргументу x. Поэтому вычисление частных производных производится по тем же правилам, что и вычисление производной функции одной переменной.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 2.16 Найти частные производные функции: u = x y (x > 0).

Решение. При вычислении частной производной функции u = x y от аргумента х рассматриваем функцию u как функцию одной переменной x, т.е. считаем

y фиксировано. Тогда функция u = x y является степенной функцией аргумента x.

∂u

По формуле дифференцирования степенной функции получаем x

∂u

Аналогично, при вычислении частной производной y считаем, что x-

фиксировано, и рассматриваем функцию u = x y как показательную функцию ар-

∂u = y

гумента y, поэтому y x ln x .

ПРИМЕР 2.17 Найти значения частных производных функции u = 2x 3 + 3x 2 y + 6xy y3 в точке M 0 (1,2).

Решение. Считая y постоянной и дифференцируя u, как функцию от x, находим частную производную по x, вычисляем ее значение в точке M 0 :

∂u = 6(x 2 + xy + y);

∂u (M

0 ) = 6((1)2 2 + 2)= 6 .

x

x

 

53

Считая x постоянной и дифференцируя u, как функцию y, находим частную производную по y, вычисляем ее значение в точке M 0 :

u = 3(x 2 + 2x y2 );

u (M

0 ) = 3((1)2 2 22 )= −15 .

y

y

 

ПРИМЕР 2.18 Найти частные производные функции: u = x 2 + y2 + z 2 .

Решение. При фиксированных значениях y и z данная функция является сложной функцией аргумента x. Вычисляя производную этой функции аргумента

x, получаем

u =

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2x =

 

x

 

. Аналогично

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

2 x 2

+ y2 + z 2

x 2 + y2 + z 2

 

 

u =

 

y

 

 

,

u =

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

. Однако полученные формулы те-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

x 2 + y2 + z 2

z

x 2 + y2 + z 2

 

 

 

ряют смысл в точке O(0;0;0), т.к. в этой точке производные данной функции не

существуют. Имеем u(x,0,0) =

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

=

 

x

 

, т.е. из дифференциального исчисления

 

 

 

функции одной переменной следует,

что u (O) не существует. Аналогично рас-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

суждая можно показать, что u (O) и

u (O) не существуют. Заметим, что дан-

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

z

 

 

 

ная функция в исследуемой точке непрерывна.

ПРИМЕР 2.19 Найти частные производные функции u = f (x, xy, xyz) по аргументам x, y и z .

Решение. Данная функция является сложной функцией переменных x, y и z:

u = f (t, ϑ, ω), где t = x ,

ϑ = xy , ω = xyz , поэтому имеем

u =

u

t

+

u ∂ϑ +

 

 

u

∂ω ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

t x

∂ϑ ∂x

 

 

∂ω ∂x

 

 

 

u =

u

t

+

u ∂ϑ +

 

 

u

∂ω,

 

 

(2.2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

t y

∂ϑ ∂y

 

∂ω ∂y

 

 

 

u =

u

t

+

u ∂ϑ +

 

u

∂ω .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

t z

∂ϑ ∂z

 

∂ω ∂z

 

 

 

Вычислим

t

 

= 1,

t

 

=

t

= 0 ,

∂ϑ = y ,

∂ϑ = x ,

∂ϑ = 0,

x

 

 

 

 

 

 

 

 

y

z

x

y

z

 

 

 

∂ω = yz ,

∂ω = xz ,

∂ω = xy .

 

 

 

 

 

x

 

y

 

 

 

 

 

z

 

 

Подставляя (2.2), найдем

54

∂u =

∂u + y

∂u

+ yz

∂u

,

∂u = x

∂u

+ xz

∂u

,

∂u = xy

∂u

.

∂ϑ

 

∂ϑ

 

 

x

t

 

∂ω

y

 

∂ω

z

∂ω

 

 

 

2.5 ДИФФЕРЕНЦИАЛ ФУНКЦИИ

 

 

Пусть

функция

u = f (x, y, z)

дифференцируема

 

в точке

M 0 = M 0 (x 0 , y0 , z0 ), т.е. ее полное приращение в этой точке можно предста-

вить в следующем виде:

f (x 0 + x, y0 + y, z 0 + z) f (x 0 , y0

, z 0 ) =

∂u

(M

0 ) x +

∂u

(M

0 ) y +

 

 

 

∂u

 

 

 

 

 

x

 

 

y

 

+

(M 0 ) z + (α1 x + α2 y + α3 z).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Дифференциал этой функции вычисляется по формуле

 

 

 

 

 

 

 

du(M 0 ) = ∂u (M 0 )

x +

∂u (M 0 )

 

y +

∂u (M

0 ) z

(2.3)

 

 

x

 

 

y

 

 

 

 

z

 

 

 

 

Обозначим через x1 = x 0 +

x , y1

= y0 +

y ,

z1 = z0 +

z координаты неко-

торой точки M1 , т.е. M1 = M1 (x1 , y1 , z1 ), тогда из (2.3) следует

 

 

 

f (M1 ) f (M 0 ) +

∂u (M 0 )

x +

∂u (M 0 )

y + ∂u (M 0 )

z . (2.4)

 

 

 

x

 

 

y

 

 

z

 

Алгоритм использования дифференциала в приближенных вычислениях

Пусть требуется найти приближенное значение величины А, тогда необходимо выполнить следующие действия:

1. Представить А в виде значения некоторой функции в точке M1 :

A= f (M1 ).

2.Подобрать точку M 0 так, чтобы она была достаточно близкой к точке

M1 и значение f (M 0 ) вычислялось легко и вычислить f (M 0 ).

 

3.

Найти

∂u (M

0 ), ∂u (M 0 ), ∂u (M 0 ).

 

 

 

x

y

z

 

4.

Вычислить f (M1 ) согласно формуле (2.4).

 

 

 

 

 

Примеры решения задач

 

ПРИМЕР

2.20

Найти

дифференциал функции u = e x 2 + y2 +z2

в точке

M 0 (0,1,2).

 

 

 

 

Решение.

55

 

Данная функция является сложной u = e t , где t = x 2 + y2 + z 2 , поэтому

u = u

t

,

u =

u t

,

 

 

u =

u

t

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t y

 

 

 

 

 

 

x

t x

 

y

 

 

 

z

 

t z

 

 

 

 

 

Найдем

 

t

= 2x ,

t

= 2y ,

 

 

t

= 2z ,

u = et .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

y

 

 

 

 

 

 

z

 

t

 

 

 

 

 

 

 

Имеем

u = 2xe x2 +y2 +z2

, u = 2yex 2 +y2 +z2

,

 

u = 2zex 2 +y2 +z2

,

 

 

x

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

u (M 0 ) = 0 ,

u (M

0 ) = 2e5 ,

 

u (M 0 ) = 4e5 ,

 

 

 

x

 

 

 

y

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

du(M 0 ) = 2e5 dy + 4e5 dz .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 2.21 Найти дифференциал функции u = f (x + y2 , y + x 2 ) в точке

M(1,1).

 

Запишем функцию А = f (x + y2 , y + x2 ) в виде u = f (t, ϑ),

 

Решение.

где

t = x + y2 ,

ϑ = y + x 2 , поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u = u

t

+

u ∂ϑ

и

u =

u

t

+

u ∂ϑ .

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ϑ ∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

x

t x

 

 

y

t y

∂ϑ ∂y

 

Вычислив

 

t

= 1,

 

 

 

t

= 2y ,

 

∂ϑ = 2x ,

 

∂ϑ = 1,

найдем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u (M 0 ) =

u (M 0 ) 2 u (M

0 ),

 

u (M

0 ) = 2

u (M

0 ) + u (M 0 ),

x

 

t

 

 

 

 

 

 

 

∂ϑ

 

 

 

y

 

 

 

t

 

 

 

 

∂ϑ

 

 

 

 

 

 

 

du(M

 

 

) =

 

u

(M

 

 

) 2

u

(M

 

 

 

 

 

 

u

(M

 

) +

u

(M

 

 

 

0

 

 

t

0

 

∂ϑ

0

) dx + 2

t

 

0

∂ϑ

0

) dy .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 2.22 Найти приближенное значение величины

1,032 +1,983 .

Решение. Положим A = f (x, y) =

 

 

 

,

 

 

 

 

x2 + y3

M1 (1.03, 1.98). Выберем

M0 (1,2), тогда f (M 0 ) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12 + 23

 

= 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

u =

1

(x 2 + y3 )

 

2x = x(x 2 + y3 )

 

,

 

u =

3

x 2 (x 2 + y3 )

 

,

 

 

 

2

2

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u (M 0 ) =

1

,

u (M 0 ) = 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

3

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По формуле (2.4) найдем

56

1,032 +1,983 3 + 1 (1,03 1) + 2(1,98 2) = 2,97 . 3

2.6 ЧАСТНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЫ ВЫСШИХ ПОРЯДКОВ

Частными производными второго порядка от функции u = f (M) называются частные производные от ее частных производных первого порядка.

Рассмотрим функцию двух переменных u = f (x, y) , которая имеет част-

ные производные

∂ u ,

∂ u

во всех точках области определения D . Частные

 

x

y

 

производные второго порядка в этом случае записываются следующим образом:

 

u

 

 

2 u

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

= f ′′

(x, y);

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

 

xx

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

2 u

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

= f

′′

(x, y);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x y

xy

 

y

x

 

 

 

 

 

 

u

 

2 u

 

 

 

 

 

=

 

= f ′′

(x, y);

 

 

 

 

 

 

y2

yy

 

y

y

 

 

 

 

u

 

2 u

 

 

 

 

 

=

 

= f ′′

(x, y).

 

 

 

 

 

 

y x

yx

 

x

y

 

 

 

Аналогично определяются и записываются частные производные третьего порядка, например:

 

2 u

 

3u

 

 

 

 

2 u

 

3u

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

= f

′′′

(x, y);

 

 

 

 

 

=

 

 

 

= f

′′′

(x, y),

 

 

2

 

3

 

 

2

 

2

 

 

 

x

 

 

x

 

xxx

 

 

 

x

 

 

x

y

 

xxy

 

x

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

и высших порядков:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n1 u

 

n u

 

 

 

 

 

n1

 

=

 

 

.

(2.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x

n

 

 

x

 

 

 

 

 

 

Так называемые “ смешанные” производные, отличающиеся друг от друга лишь последовательностью дифференцирования, равны между собой , если они

 

2 u

=

2 u

непрерывны, например:

 

 

 

. В этом случае говорят, что данная

x

y

 

 

 

y x

функция не зависит от порядка дифференцирования.

Дифференциалом второго порядка от функции u = f (x, y) называется

дифференциал от ее полного дифференциала, т.е. d 2 u = d(d u). Аналогично определяются дифференциалы третьего и высших порядков:

 

 

n

 

 

d n u = d(d n1 u) или d n u =

dx +

dy

u ,

(2.6)

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

 

57

 

 

здесь

 

оператор частной производной по переменной x при дей-

x

 

 

 

 

u

 

 

ствии его на функцию u получается новая функция

;

d =

 

dx +

 

dy

x

 

 

x

 

 

y

оператор первого дифференциала при действии его на функцию u = f(x, y)

получится

дифференциал

функции

du =

∂ u

dx +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

n

 

 

 

 

 

d n =

 

dx +

 

dy

оператор n го дифференциала.

 

 

 

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При n = 2 из (2.6) получим:

 

 

 

d 2 u =

2 u

dx 2 + 2

2 u

dx dy +

2 u

dy2

,

 

 

 

 

x 2

 

x y

y2

 

где dx

2 = (dx)2 ,

dy2 = (dy)2 .

 

 

 

Примеры решения задач

ПРИМЕР 2.23 Найти частные производные функции

u = arcsin(xy + y2 z2 ) .

+u dy ;

y

(2.7)

Решение. u

 

 

 

 

y = const

 

=

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

z = const

 

 

 

 

 

1 (xy + y2 z2 )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = const

 

 

 

 

 

 

uy

=

 

 

 

=

 

 

 

 

x + 2yz

2

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

z = const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 (xy + y2 z2 )2

 

 

 

x = const

 

 

 

 

 

 

 

u′ =

 

 

 

=

 

 

 

 

2y2 z

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

y = const

 

 

 

 

 

 

 

1 (xy + y2 z2 )2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 2.24 Найти частные производные второго порядка функции

u = xy .

58

 

 

 

Решение.

Сначала

 

находим

частные

производные

первого

порядка

 

∂ u

= y x y1 ,

 

∂ u

= x y ln x .

Затем вычисляем частные производные от частных

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

производных первого порядка:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 u

= y(y 1)x y2 ,

2 u = x y

(lnx)2 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 u

 

== x y1 + yx y1 ln x = x y1 (1 + yln x),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 u

= yx y1 ln x + x y

1

= x y1 (1 + yln x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 u

 

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 2.25 Найти

 

 

 

 

 

 

 

, если u = e

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x 2 y8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

Функция u = exy является элементарной, поэтому частная про-

изводная 10 го порядка не зависит от порядка дифференцирования.

Найдем

 

8 u =x8 exy

 

, тогда согласно (2.5) имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

u

 

 

 

 

 

 

2

 

8

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

xy

 

 

8

 

 

xy

 

8

 

xy

 

 

 

x

2

y

8

 

 

=

x

2

 

y

8

 

= (x

 

) xx e

 

+ 2(x

 

) x

(e

 

) x + x

 

(e

 

)

xx

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= exy (56x2

+ 16x7 y + x8 y2 ).

 

 

 

 

 

 

 

= 56x6 exy + 16x7 y exy

+ x8 y2 exy

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР

2.26

Найти

второй

дифференциал

функции

 

u = xy

в

точке

M 0 (1,0).

Решение. Полагая x = 1, y = 0 в выражениях для частных производных второго порядка данной функции, найденных в примере 2.24, получим

2 u (M 0 ) = 0,

 

2 u

(M 0 ) =

2 u

= 1,

2 u (M 0 ) = 0.

 

 

 

x2

 

x y

y x

y2

Подставляя эти значения в формулу (2.7), получим d 2 u(M0 ) = 2dxdy .

ПРИМЕР 2.27

Найти второй дифференциал функции u = f (x + y, xy) в

точке M(x, y) , если x и y независимые переменные.

Решение. Запишем данную функцию в виде u = f(t,ϑ), где t = x + y ,

ϑ = x y . Используя эти обозначения, находим:

59

∂ u

 

= f (t,ϑ) t′ + f (t,ϑ) ϑ′ = f (t,ϑ) + f (t,ϑ) y ;

 

 

 

x

 

t

x

x

 

x

t

ϑ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂ u

= f (t, ϑ) t

+ f

(t, ϑ) − ϑ′ = f

(t, ϑ) + f

(t, ϑ) x;

 

y

 

t

y

ϑ

 

 

y

t

ϑ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 u

= f ′ ′+ t ′ ′ y + f ′ ′ y + f

′ ′ y 2

= f ′ ′+ 2 f

′ ′ y + y 2

x 2

 

tt

tϑ

 

t ϑ

ϑ ϑ

t t

 

t ϑ

 

2 u

= f ′ ′+ t ′ ′ x + f ′ ′ y + f ′ ′ x y + f ′ = f ′ ′+ t f

 

 

t ϑ

x y

tt

tϑ

 

 

t ϑ

ϑ ϑ

ϑ

 

t t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 u

= f ′ ′+ t ′ ′ x + f ′ ′ x + f

′ ′ x2

= f ′ ′+ 2x f ′ ′ + x2

y2

 

tt

tϑ

 

t ϑ

ϑ ϑ

t t

 

t ϑ

 

Подставляя эти выражения в формулу (2.7), получаем

fϑϑ;

+ ϑ fϑϑ′ + fϑ;

fϑϑ.

2 u = (f ′ ′ + 2y f ′ ′

+ y2 f ′ ′ )dx2

+ 2(f ′ ′+ t f ′ ′ + ϑ f ′ ′

+ f ) dx dy +

tt u

ϑ ϑ

 

ϑ ϑ

 

t t

 

t ϑ

ϑ ϑ

ϑ

+ (f ′ ′+ 2x t ′ ′ + x2

f ′ ′

+ x2 f ′ ′ ) dy2 .

 

 

 

 

 

 

 

tt

tϑ

t ϑ

ϑ ϑ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.7 ПРОИЗВОДНАЯ ПО НАПРАВЛЕНИЮ. ГРАДИЕНТ

Пусть функция u = f (M) определена в некоторой окрестности точки M0 ;

l некоторый луч

M0 M ,

l − длина отрезка

 

M0 M

 

, l0

-единичный вектор,

 

 

имеющий направление луча l.

Предел

lim

f (M) f (M 0 )

, если он существует,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l→0

 

l

 

 

называется производной функции

u = f(M) по направлению l0 в точке M 0 и

обозначается

∂ u

(M

0 ) . В декартовой прямоугольной системе координат 0xyz :

 

 

∂ l

 

 

 

 

∂u (M 0 ) =

∂u (M 0 ) cos α + ∂u (M 0 ) cos β +

∂u (M 0 ) cos γ ,

(2.8)

∂l

x

y

z

 

где l0 ={cos α, cos β, cos γ}.

Градиентом функции u = f (M) в точке M0 называется вектор, характери-

зующий направление наибольшего роста функции в этой точке и обозначается

 

 

 

 

 

 

 

 

grad u(M 0 ) . В декартовой прямоугольной системе координат 0xyz :

 

∂u

r

 

∂u

r

∂u

r

 

grad u(M 0 ) =

(M 0 ) i

+

(M 0 ) j +

(M 0 )k

(2.9)

 

x

 

 

y

 

z

 

 

Производная функции u = f (M) в точке M 0 в направлении вектора l0 и

градиент связаны соотношением:

60

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]