Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Функции нескольких переменных.pdf
Скачиваний:
137
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
716.38 Кб
Скачать
1.
2.
3.
4.

Теорема 1

n

w

(x1, x2 ,..., xn ) dxi обладает свойством инвариантности

Дифференциал dw =

x

i=1

i

формы, то есть формула для него сохраняет свой вид, если x1, x2,..., xn не простые

независимые переменные, а являются функциями переменных v1, v2,..., vm . В этом случае дифференциалы dxi xi , а в свою очередь вычисляются по формулам

m

x

(v1, v2 ,..., vm ) dv j , i = 1,2,..., n .

dxi =

i

v j

j=1

 

Доказательство этой теоремы легко провести самостоятельно.

Если u = f (x1, x2 ,..., xi ,..., xn ) и w = g(x1, x2 ,..., xi ,..., xn ) - функции n переменных, то при вычислении дифференциалов справедливы следующие правила:

d(c u)= c du , где c = const ; d(u ± w)= du ± dw ;

d(u w) = u dw + w du ;

d (u )= du w u dw ;

w w2

5.df fwdw .(w)=

Эти правила удобно использовать при вычислении дифференциалов сложных функций.

Пример 2

Найти дифференциал функции трех переменных w = 3xyz .

Решение

dw = (3xyz )xyz d(xyz)= 3xyz ln 3 (yz dx + xz dy + xy dz).

3.2. Геометрический смысл дифференциала функции двух переменных. Уравнение касательной плоскости и нормали к поверхности.

Теорема

Если функция z = f (x, y) - дифференцируема в точке (x0 , y0 ), то существует не параллельная оси Oz касательная плоскость к поверхности z = f (x, y) в точке M 0 (x0 , y0 , f (x0 , y0 )), уравнение которой имеет вид

Z = z0 + xz (x0 , y0 )(x x0 )+ yz (x0 , y0 )(y y0 ),

где z0 = f (x0 , y0 ).

Доказательство

Напомним, что функция двух переменных z = f (x, y) задает в пространстве с введенной декартовой системой координат некоторую поверхность.

Уравнение плоскости, проходящей через точку M 0 (x0 , y0 , z0 ), имеет вид: A(x x0 )+ B (y y0 )+C (z z0 )= 0 . Если C 0 , то можно разрешить это уравнение относительно переменной z , тогда получим уравнение z = z0 + a (x x0 )+b (y y0 ),

где a = − CA , b = − CB .

22

Выясним,

при

каких значениях

параметров a и b это уравнение

является

уравнением касательной плоскости к поверхности z = f (x, y) в точке (x0 , y0 ).

 

 

 

 

Положив в этом уравнении

y = y0

,

 

y = y0

 

 

,

получим уравнение прямой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = z0 + a (x x0 )

 

которая при

a = z (x0 , y0 )

является

уравнением касательной к

кривой,

заданной

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = y0

 

, в точке (x0 , y0 ).

 

 

 

 

 

системой

= f (x,

y)

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Положив в этом уравнении

x = x0

 

 

x = x0

 

 

,

, получим уравнение прямой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = z0 +b (y y0 )

 

 

 

z

 

 

 

 

 

x = x0

 

 

 

которая при b =

 

 

(x0 , y0 ) является уравнением касательной к кривой

f (x,

y)

в

y

 

 

 

 

 

 

 

z =

 

 

точке (x0 , y0 ).

Ясно, что обе эти касательные прямые принадлежат искомой касательной плоскости

(рис.8). Поскольку через две пересекающиеся прямые можно провести только одну

плоскость, то уравнение z = z0 + a (x x0 )+b (y y0 )

является уравнением

касательной плоскости к поверхности z = f (x, y) в точке (x0 , y0 ) при a = xz (x0 , y0 ) и b = yz (x0 , y0 ).

Рис.8.

Следствие 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = f (x, y),

 

 

 

 

z = f (x, y)

Если

поверхность

задана

 

уравнением

 

и

функция

дифференцируема в точке (x0 , y0 ),

то уравнение нормали к этой поверхности в точке

M 0 (x0 , y0 , z0 ), где z0 = f (x0 , y0 ), имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x x0

 

 

 

=

 

y y0

 

 

=

z z0

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x

0

, y

0

)

 

(x

0

, y

0

)

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полагая

 

в

 

 

 

 

 

z

 

 

уравнении

 

 

 

 

 

 

касательной

 

 

плоскости

z = z

0

+

z (x , y

)(x x

 

)

+

 

(x , y

)(y y

0

),

 

x x

0

= x

и

y y

0

=

y , можно

 

y

 

 

 

x

0 0

0

 

 

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

установить, что

dz = xz (x0 , y0 ) x + yz (x0 , y0 ) y = z z0 ,

23