Реферат по предмету "Математика"


Похідні та диференціали функції багатьох змінних

ПОХІДНІ ТА ДИФЕРЕНЦІАЛИФУНКЦІЇ БАГАТЬОХ ЗМІННИХ
 

1 Частинніпохідні
 
Нехай функція /> визначена вдеякому околі точки />.
Надамо змінній x приросту/>, залишаючизмінну /> незмінною,так, щоб точка /> належала заданому околу.
Величина
/>
називаєтьсячастинним приростом функції /> за змінною x.
Аналогічновводиться частинний приріст /> функції за змінною/>:
/>.
Якщо існуєграниця
/>,
то вонаназивається частинною похідною функції /> в точці /> за змінною x і позначається одниміз таких символів:
/>.
Аналогічночастинна похідна функції />за /> визначається як границя
/>
і позначаєтьсяодним із символів:
/>.
Згідно зозначенням при знаходженні частинної похідної /> обчислюють звичайну похіднуфункції однієї змінної x, вважаючи змінну /> сталою, а при знаходженніпохідної /> сталоювважається змінна x. Тому частинні похідні знаходять за формулами і правиламиобчислення похідних функцій однієї змінної.
Частинна похідна /> (або/>) характеризуєшвидкість зміни функції в напрямі осі />(або/>).
З’ясуємогеометричний зміст частинних похідних функції двох змінних. Графіком функції /> є деякаповерхня (рис 1). Графіком функції /> є лінія перетину цієї поверхні зплощиною/>.Виходячи з геометричного змісту похідної для функції однієї змінної, отримаємо,що/>, де/>– кут між віссю/> ідотичною, проведеною до кривої /> в точці/>. Аналогічно/>.
/>
Рисунок 1 –Геометричний зміст частинних похідних
Для функції /> n зміннихможна знайти n частинних похідних:
/>,
де
/>,
/>.
Щоб знайтичастинну похідну/>, необхідно взяти звичайну похіднуфункції /> зазмінною/>, вважаючирешту змінних сталими.
Якщо функція /> задана вобласті /> імає частинні похідні /> в усіх точках/>, то ці похідні можнарозглядати як нові функції, задані в області/>.
Якщо існуєчастинна похідна за x від функції/>, то її називають частинноюпохідною другого порядку від функції /> за змінною x і позначають /> або />.
Таким чином, заозначенням
/>або/>.
Якщо існуєчастинна похідна від функції /> за змінною/>, то цю похіднуназивають мішаною частинною похідною другого порядку від функції />і позначають/>, або/>.
Отже, за означенням
/>або />.
Для функції двохзмінних /> можнарозглядати чотири похідні другого порядку:
/>.
Якщо існуютьчастинні похідні від частинних похідних другого порядку, то їх називаютьчастинними похідними третього порядку функції/>, їх вісім:
/>
/>.
Виникаєзапитання: чи залежить результат диференціювання від порядку диференціювання?Інакше кажучи, чи будуть рівними між собою мішані похідні, якщо вони взяті заодними і тими самими змінними, одне й те саме число разів, але в різномупорядку? Наприклад, чи дорівнюють одна одній похідні
/>і /> або /> і/>?
У загальномувипадку відповідь на це запитання негативна.
Проте справедливатеорема, яку вперше довів К.Г.Шварц.
Теорема (про мішані похідні).Якщофункція />визначенаразом із своїми похідними /> в деякому околі точки />, причомупохідні /> та/> неперервнів точці/>,то в цій точці
/>.
Аналогічнатеорема справедлива для будь-яких неперервних мішаних похідних, яківідрізняються між собою лише порядком диференціювання.

2 Диференційованістьфункції
похіднадиференціал функція змінна
Нехай функція /> визначена вдеякому околі точки/>. Виберемо прирости /> і /> так, щоб точка /> належаларозглядуваному околу і знайдемо повний приріст функції в точці/>:
/>.
Функція /> називаєтьсядиференційовною в точці М, якщо її повний приріст в цій точці можна подати увигляді
/>,                     (1)
де /> та /> – дійсні числа, які незалежать від /> та />, /> – нескінченно малі при /> і /> функції.
Відомо, що колифункція однієї змінної диференційовна в деякій точці, то вона в цій точцінеперервна і має похідну. Перенесемо ці властивості на функції двох змінних.
Теорема 1 (неперервністьдиференційовної функції).
Якщо функція /> диференційовнав точці М, то вона неперервна в цій точці.
Доведення
Якщо функціядиференційовна в точці М, то з рівності (1) випливає, що/>. Це означає, що функціянеперервна в точці М.
Теорема 2 (існування частинних похіднихдиференційовної функції). Якщо функція /> диференційовна в точці />, то вона має вцій точці похідні /> та /> і/>.
Доведення
Оскільки /> диференційовнав точці/>,то справджується рівність (1). Поклавши в ній/>, отримаємо,
/>.
Поділимо обидвічастини цієї рівності на /> і перейдемо до границі при/>:
/>.
Отже, в точці /> існує частиннапохідна/>.Аналогічно доводиться, що в точці /> існує частинна похідна/>.
Твердження,обернені до теорем 1 і 2, взагалі кажучи, неправильні, тобто із неперервностіфункції /> абоіснування її частинних похідних ще не випливає диференційовність. Наприклад,функція /> неперервнав точці/>,але не диференційовна в цій точці. Справді, границі
/>
не існує, тому неіснує й похідної/>. Аналогічно впевнюємося, що неіснує також похідної/>. Оскільки задана функція в точці /> не має частиннихпохідних, то вона в цій точці не диференційовна.
Більш того,відомо приклади функцій, які є неперервними в деяких точках і мають в нихчастинні похідні, але не є в цих точках диференційовними.
Теорема 3 (достатні умовидиференційовності ).
Якщо функція /> має частинніпохідні в деякому околі точки />і ці похідні неперервні в точці М,то функція /> диференційовнав точці М.
Доведення
Надамо змінним xі /> приростів/>, таких,щоб точка /> належаладаному околу точки />. Повний приріст функції /> запишемо увигляді
/>.    (2)
Вираз у першихквадратних дужках рівності (2) можна розглядати як приріст функції однієїзмінної x, а в других – як приріст функції змінної />. Оскільки дана функція маєчастинні похідні, то за теоремою Лагранжа отримаємо:
/>
/>.
Похідні /> та /> неперервні вточці М, тому
/>,
/>.
Звідси випливає,що
/>,
/>,
де/>, /> – нескінченно маліфункції при /> і/>.
Підставляючи цівирази у рівність (2), знаходимо
/>, а це й означає, що функція/> диференційовнав точці/>.
З теорем 2 і 3випливає такий наслідок: щоб функція /> була диференційовною в точці,необхідно, щоб вона мала в цій точці частинні похідні, і достатньо, щоб вонамала в цій точці неперервні частинні похідні.
Зазначимо, що дляфункції />однієїзмінної існування похідної /> в точці /> є необхідною і достатньою умовоюїї диференційовності в цій точці.
 
3 Повнийдиференціал функції та його застосування до обчислення функцій і похибок.Диференціали вищих порядків
 
Нагадаємо, щоколи функція /> диференційовна в точці/>, то її повнийприріст у цій точці можна подати у вигляді
/>,
де /> і /> при/>.
Повнимдиференціалом /> диференційовної в точці /> функції /> називаєтьсялінійна відносно /> та /> частина повного приросту цієїфункції в точці M, тобто
/>.                                        (3)
Диференціаламинезалежних змінних x та /> назвемо прирости цих змінних/>. Тоді зурахуванням теореми 2 рівність (3) можна записати так:
/>.                                              (4)

Аналогічнаформула має місце для диференційовної функції трьох змінних/>:
/>.                                  (5)
З формул (4) і(5) може здатися, що повний диференціал /> існуватиме у кожній точці, в якійіснують частинні похідні. Але це не так. Згідно з означенням, повнийдиференціал можна розглядати лише стосовно диференційовної функції.
Теореми таформули для диференціалів функції однієї змінної повністю зберігаються і длядиференціалів функцій двох, трьох і т.д. змінних. Так, незалежно від того, відяких аргументів залежать функції u і />, завжди справедливі рівності
/>
/>
/>
/>
Покажемо, щорізниця між повним приростом /> і диференціалом /> при /> і /> є нескінченно малавеличина вищого порядку, ніж величина/>.
Дійсно, з формул(1) і (3) маємо
/>,
оскільки функції /> – нескінченномалі при/>, />, а /> та /> – обмеженіфункції:
/>.
Отже, різниця /> – нескінченномала величина вищого порядку, ніж/>. Тому повний диференціалназивають також головною частиною повного приросту диференційовної функції. Прицьому виконується наближена рівність /> або
/>.            (6)
Ця рівність тимточніша, чим менша величина/>. Рівність (6) широковикористовується у наближених обчисленнях, оскільки диференціал функціїобчислюється простіше, ніж повний приріст.
Покажемо, як задопомогою диференціала можна оцінити похибку в обчисленнях.
Нехай заданадиференційовна функція/>, незалежні змінні якої виміряні зточністю/>.Потрібно знайти похибку, з якою обчислюється u.
Природно вважати,що ця похибка дорівнює величині
/>.
Для малих значень/> маємо
/>,
звідки
/>.
Якщо через /> позначитимаксимальну абсолютну похибку змінної />, то можна отримати значеннямаксимальної абсолютної похибки /> функції />:
/>.                  (7)
Щоб оцінитимаксимальну відносну похибку функції u, поділимо обидві частини рівності (7) на/>:
/>.
Оскільки/>, то
/>,
або
/>,
тобто максимальнавідносна похибка функції дорівнює максимальній абсолютній похибці її логарифма.
Введемо поняттядиференціала вищого порядку.
Нехай /> функціянезалежних змінних />,/>. Повний диференціал цієї функції,знайдений за формулою (3), називають ще диференціалом
першого порядку. Диференціал другого порядку визначають за формулою
/>.
Тоді, якщофункція /> маєнеперервні частинні похідні, то
/>,
звідки
/>.                          (8)
Символічно цезаписують так:
/>.
Аналогічно можнаотримати формулу для диференціала третього порядку:
/>.
Застосовуючиметод математичної індукції, можна отримати формулу для диференціала n-гопорядку:
/>.                               (9)
Зазначимо, щоформула (9) справедлива лише для випадку, коли змінні x і /> функції /> є незалежними змінними.
 

4 Похіднаскладеної функції. Повна похідна. Інваріантність форми повного диференціала
 
Нехай /> – функція двохзмінних /> та/>, кожна зяких, у свою чергу, є функцією незалежної змінної />:
/>
тоді функція /> є складеноюфункцією змінної />.
Теорема. Якщо функції /> диференційовні в точці />, а функція /> диференційовна в точці />, то складена функція /> такождиференційовна в точці />. Похідну цієїфункції знаходять за формулою
/>.                                             (10)
 
Доведення
За умовою теореми/>,
де /> та /> при/>,/>.
Поділимо /> на /> і перейдемо дограниці при/>:
/>
Аналогічнознаходять похідну, якщо число проміжних змінних більше двох. Наприклад, якщо />, де />, то
/>.                      (11)
Зокрема, якщо/>, а/>, то
/>,
а оскільки />, то
/>.                                    (12)
Цю формулуназивають формулою для обчислення повної похідної
(на відміну від частинної похідної/>).
Розглянемозагальніший випадок. Нехай /> – функція двох змінних /> та/>, які, в своючергу, залежать від змінних />:/>, />, тоді функція /> є складеною функцієюнезалежних змінних /> та/>, а змінні /> та /> – проміжні.
Аналогічнопопередній теоремі доводиться таке твердження.
Якщо функції /> та /> диференційовнів точці />,а функція />диференційовнав точці />,то складена функція /> диференційовна в точці /> і її частинніпохідні знаходяться за формулами:
/>; />.                      (13)

Формули (13)можна узагальнити на випадок більшого числа змінних. Якщо/>, де/>, то
/>
Знайдемодиференціал складеної функції. Скориставшись формулами (13), отримаємо
/>
Отже, диференціалфункції/>,де />, />, визначаєтьсяформулою
/>,                                     (14)
де
/>.
Порівнявшиформули (14) і (4) дійдемо висновку, що повний диференціал функції /> маєінваріантну (незмінну) форму незалежно від того, чи є x та /> незалежними змінними,чи диференційовними функціями змінних u та v. Проте формули (4) і (14) однаковілише за формою, а по суті різні, бо у формулі (4) />і/>– диференціали незалежних змінних,а у формулі (14) />і/>– повні диференціали функцій /> та />.
Диференціаливищих порядків властивості інваріантності не мають. Наприклад, якщо/>, де />, />, то
/>              (15)
Формула (15)відрізняється від формули (8), оскільки для складеної функції диференціали /> та /> можуть і недорівнювати нулю. Отже, для складеної функції/>, де />, />, формула (8) неправильна.
5Диференціювання неявної функції
Нехай заданорівняння
/>,                                      (16)
де /> – функція двох змінних.
Нагадаємо, щоколи кожному значенню x з деякої множини /> відповідає єдине значення/>, яке разом з xзадовольняє рівняння (16), то кажуть, що це рівняння задає на множині /> неявну функцію/>.
Таким чином, длянеявної функції/>, заданої рівнянням (16), маємісце тотожність
/>.
Які ж умови маєзадовольняти функція /> щоб рівняння (16) визначалонеявну функцію і при тому єдину? Відповідь на це запитання дає така теоремаіснування неявної функції [8].
Теорема. Нехай функція /> і її похідні /> та /> визначені танеперервні у будь-якому околі точки /> і />, а/>; тоді існує окіл точки />, в якомурівняння /> визначаєєдину неявну функцію/>, неперервну та диференційовну воколі точки /> ітаку, що />.
Знайдемо похіднунеявної функції. Нехай ліва частина рівняння (16) задовольняє зазначені втеоремі умови, тоді це рівняння задає неявну функцію/>, для якої на деякій множині точокx має місце тотожність/>. Оскільки похідна функції, щототожно дорівнює нулю, також дорівнює нулю, то повна похідна/>. Але за формулою (12)маємо />,тому />,звідки
/>.                                        (17)
За цією формулоюзнаходять похідну неявної функції однієї змінної.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Обласні державні адміністрації як суб’єкт адміністративного права
Реферат Процесс правового регулирования конфликтов в социально-трудовой сфере
Реферат Инфраструктура в системе организации таможенной деятельности
Реферат Случайные величины и способы их описания Основные понятия теории вероятности применяемые при
Реферат развитие компании Интернет IPSUM
Реферат Еволюція Всесвіту
Реферат Стандарты управления предприятием. ERP, MRP, MRP II, TQM
Реферат Проектирование технологического процесса лесосечных работ предприятия с годовым объемом производства
Реферат «Оценка рыночной стоимости 20% пакета акций ОАО «Северо-Западный Телеком»
Реферат Процессы получения первичной информации и их проектирование
Реферат Программа государственного экзамена по психолого-педагогической подготовке
Реферат Правовое государство понятие и черты
Реферат Античность - средние века - новое время. Причины и механизмы смены эпохи
Реферат Адаптивная физическая культура в системе больных наркоманией
Реферат Ошибки, ставшие открытиями