Частной производной функции z = f(x, y по переменной х называется производная этой функции при постоянном значении переменной у, она обозначается или z" х.

Частной производной функции z = f(x, y) по переменной у называется производная по у при постоянном значении переменной у; она обозначается или z" у.

Частная производная функции нескольких переменных по одной переменной определяется как производная этой функции по соответствующей переменной при условии, что остальные переменные считаются постоянными.

Полным дифференциалом функции z = f(x, y) в некоторой точке М(Х, у) называется выражение

,

Где и вычисляются в точке М(х, у), а dx = , dy = у.

Пример 1

Вычислить полный дифференциал функции.

z = х 3 – 2х 2 у 2 + у 3 в точке М(1; 2)

Решение:

1) Находим частные производные:

2) Вычислим значение частных производных в точке М(1; 2)

() М = 3 · 1 2 – 4 · 1 · 2 2 = -13

() М = - 4 · 1 2 · 2 + 3 · 2 2 = 4

3) dz = - 13dx + 4 dy

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется первообразной? Перечислить свойства первообразной.

2. Что называется неопределенным интегралом?

3. Перечислить свойства неопределенного интеграла.

4. Перечислить основные формулы интегрирования.

5. Какие методы интегрирования вы знаете?

6. В чем заключается суть формулы Ньютона – Лейбница?

7. Дать определение определенного интеграла.

8. В чем суть вычисления определенного интеграла методом подстановки?

9. В чем суть метода вычисления определенного интеграла по частям?

10. Какая функция называется функцией двух переменных? Как она обозначается?

11. Какая функция называется функцией трех переменных?

12. Какое множество называется областью определения функции?

13. С помощью каких неравенств можно задать замкнутую область Д на плоскости?

14. Что называется частной производной функции z = f(x, y) по переменной х? Как она обозначается?

15. Что называется частной производной функции z = f(x, y) по переменной у? Как она обозначается?

16. Какое выражение называется полным дифференциалом функции

Тема 1.2 Обыкновенные дифференциальные уравнения.

Задачи, приводящие к дифференциальным уравнениям. Дифференци­альные уравнения с разделяющимися переменными. Общие и частные ре­шения. Однородные дифференциальные уравнения первого порядка. Ли­нейные однородные уравнения второго порядка с постоянными коэффици­ентами.

Практическое занятие № 7 «Нахождение общих и частных решений дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными»*

Практическое занятие № 8 «Линейные и однородные дифференциальные уравнения»

Практическое занятие № 9 «Решение дифференциальных уравнений 2 - го порядка с постоянными коэффициентами»*

Л4, глава 15, стр. 243 – 256

Методические указания

Пусть функция определена в некоторой (открытой) областиD точек
мерного пространства, и
– точка в этой области, т.е.
D .

Частным приращением функции многих переменных по какой-либо переменной называется то приращение, которое получит функция, если мы дадим приращение этой переменной, считая, что все остальные переменные имеют постоянные значения.

Например, частное приращение функции по переменнойбудет

Частной производной по независимой переменной в точке
от функции называется предел (если существует) отношения частного приращения
функции к приращению
переменнойпри стремлении
к нулю:

Частную производную обозначают одним из символов:

;
.

Замечание. Индекс внизу в этих обозначениях лишь указывает, по какой из переменных берется производная, и не связана с тем, в какой точке
эта производная вычисляется.

Вычисление частных производных не представляет ничего нового по сравнению с вычислением обыкновенной производной, необходимо только помнить, что при дифференцировании функции по какой-либо переменной все остальные переменные принимаются за постоянные. Покажем это на примерах.

Пример 1. Найти частные производные функции
.

Решение . При вычислении частной производной функции
по аргументурассматриваем функциюкак функцию только одной переменной, т.е. считаем, чтоимеет фиксированное значение. При фиксированномфункция
является степенной функцией аргумента. По формуле дифференцирования степенной функции получаем:

Аналогично, при вычислении частной производной считаем, что фиксировано значение, и рассматриваем функцию
как показательную функцию аргумента. В итоге получаем:

Пример 2 . Н айти частные производные ифункции
.

Решение. При вычислении частной производной по заданную функциюмы будем рассматривать как функцию одной переменной, а выражения, содержащие, будут постоянными множителями, т.е.
выступает в роли постоянного коэффициентапри степенной функции(
). Дифференцируя это выражение по , получим:

.

Теперь, наоборот, функцию рассматриваем как функцию одной переменной, в то время как выражения, содержащие, выступают в роли коэффициента
(
).Дифференцируя по правилам дифференцирования тригонометрических функций, получаем:

Пример 3. Вычислить частные производные функции
в точке
.

Решение. Находим сначала частные производные данной функции в произвольной точке
её области определения. При вычислении частной производной посчитаем, что
являются постоянными.

при дифференцировании по постоянными будут
:

а при вычислении частных производных по и по, аналогично, постоянными будут, соответственно,
и
, т.е.:

Теперь вычислим значения этих производных в точке
, подставляя в их выражения конкретные значения переменных. В итоге получаем:

11. Частные и полный дифференциалы функции

Если теперь к частному приращению
применить теорему Лагранжа о конечных приращениях по переменной, то, считаянепрерывной, получим следующие соотношения:

где
,
– бесконечно малая величина.

Частным дифференциалом функции по переменнойназывается главная линейная часть частного приращения
, равная произведению частной производной по этой переменной на приращение этой переменной, и обозначается

Очевидно, частный дифференциал отличается от частного приращения на бесконечно малую высшего порядка.

Полным приращением функции многих переменных называется то её приращение, которое она получит, когда мы всем независимым переменным дадим приращение, т.е.

где все
, зависят оти вместе с ними стремятся к нулю.

Под дифференциалами независимых переменных условились подразумеватьпроизвольные приращения
и обозначать их
. Таким образом, выражение частного дифференциала примет вид:

Например, частный дифференциал поопределяется так:

.

Полным дифференциалом
функции многих переменныхназывается главная линейная часть полного приращения
, равная, т.е.сумме всех её частных дифференциалов:

Если функция
имеет непрерывные частные производные

в точке
, то онадифференцируема в данной точке .

При достаточно малом для дифференцируемой функции
имеют место приближенные равенства

,

с помощью которых можно производить приближенные вычисления.

Пример 4. Найти полный дифференциал функции
трёх переменных
.

Решение. Прежде всего, находим частные производные:

Заметив, что они непрерывны при всех значениях
, находим:

Для дифференциалов функций многих переменных верны все теоремы о свойствах дифференциалов, доказанные для случая функций одной переменной, например: если и– непрерывные функции переменных
, имеющие непрерывные частные производные по всем переменным, аи– произвольные постоянные, то:

(6)

Рассмотрим изменение функции при задании приращения только одному из ее аргументов – х i , и назовем его .

Определение 1.7. Частной производной функции по аргументу х i называется .

Обозначения: .

Таким образом, частная производная функции нескольких переменных определяется фактически как производная функции одной переменной – х i . Поэтому для нее справедливы все свойства производных, доказанные для функции одной переменной.

Замечание. При практическом вычислении частных производных пользуемся обычными правилами дифференцирования функции одной переменной, полагая аргумент, по которому ведется дифференцирование, переменным, а остальные аргументы – постоянными.

1. z = 2x ² + 3xy –12y ² + 5x – 4y +2,

2. z = x y ,

Геометрическая интерпретация частных производных функции двух переменных.

Рассмотрим уравнение поверхности z = f (x,y) и проведем плоскость х = const. Выберем на линии пересечения плоскости с поверхностью точку М (х,у) . Если задать аргументу у приращение Δу и рассмотреть точку Т на кривой с координатами (х, у+ Δу, z+ Δ y z ), то тангенс угла, образованного секущей МТ с положительным направлением оси Оу , будет равен . Переходя к пределу при , получим, что частная производная равна тангенсу угла, образованного касательной к полученной кривой в точке М с положительным направлением оси Оу. Соответственно частная производная равна тангенсу угла с осью Ох касательной к кривой, полученной в результате сечения поверхности z = f (x,y) плоскостью y = const.

Определение 2.1. Полным приращением функции u = f(x, y, z) называется

Определение 2.2. Если приращение функции u = f (x, y, z) в точке (x 0 , y 0 , z 0) можно представить в виде (2.3), (2.4), то функция называется дифференцируемой в этой точке, а выражение - главной линейной частью приращения или полным дифференциалом рассматриваемой функции.

Обозначения: du, df (x 0 , y 0 , z 0).

Так же, как в случае функции одной переменной, дифференциалами независимых переменных считаются их произвольные приращения, поэтому

Замечание 1. Итак, утверждение «функция дифференцируема» не равнозначно утверждению «функция имеет частные производные» - для дифференцируемости требуется еще и непрерывность этих производных в рассматриваемой точке.

4. Касательная плоскость и нормаль к поверхности. Геометрический смысл дифференциала.

Пусть функция z = f (x, y) является дифференцируемой в окрестности точки М (х 0 , у 0) . Тогда ее частные производные и являются угловыми коэффициентами касательных к линиям пересечения поверхности z = f (x, y) с плоскостями у = у 0 и х = х 0 , которые будут касательными и к самой поверхности z = f (x, y). Составим уравнение плоскости, проходящей через эти прямые. Направляющие векторы касательных имеют вид {1; 0; } и {0; 1; }, поэтому нормаль к плоскости можно представить в виде их векторного произведения: n = {- ,- , 1}. Следовательно, уравнение плоскости можно записать так:

где z 0 = .

Определение 4.1. Плоскость, определяемая уравнением (4.1), называется касательной плоскостью к графику функции z = f (x, y) в точке с координатами (х 0 , у 0 , z 0) .

Из формулы (2.3) для случая двух переменных следует, что приращение функции f в окрестности точки М можно представить в виде:

Следовательно, разность между аппликатами графика функции и касательной плоскости является бесконечно малой более высокого порядка, чем ρ, при ρ→ 0.

При этом дифференциал функции f имеет вид:

что соответствует приращению аппликаты касательной плоскости к графику функции . В этом состоит геометрический смысл дифференциала.

Определение 4.2. Ненулевой вектор, перпендикулярный касательной плоскости в точке М (х 0 , у 0) поверхности z = f (x, y) , называется нормалью к поверхности в этой точке.

В качестве нормали к рассматриваемой поверхности удобно принять вектор --n = { , ,-1}.

Линеаризация функции. Касательная плоскость и нормаль к поверхности.

Производные и дифференциалы высших порядков.

1. Частные производные ФНП *)

Рассмотрим функцию и = f (P), РÎDÌR n или, что то же самое,

и = f (х 1 , х 2 , ..., х п ).

Зафиксируем значения переменных х 2 , ..., х п , а переменной х 1 дадим приращение Dх 1 . Тогда функция и получит приращение , определяемое равенством

= f (х 1 +Dх 1 , х 2 , ..., х п ) – f (х 1 , х 2 , ..., х п ).

Это приращение называют частным приращением функции и по переменной х 1 .

Определение 7.1. Частной производной функции и = f (х 1 , х 2 , ..., х п ) по переменной х 1 называется предел отношения частного приращения функции к приращению аргумента Dх 1 при Dх 1 ® 0 (если этот предел существует).

Обозначается частная производная по х 1 символами

Таким образом, по определению

Аналогично определяются частные производные по остальным переменным х 2 , ..., х п . Из определения видно, что частная производная функции по переменной х i – это обычная производная функции одной переменной х i , когда остальные переменные считаются константами. Поэтому все ранее изученные правила и формулы дифференцирования могут быть использованы для отыскания производной функции нескольких переменных.

Например, для функции u = x 3 + 3xy – z 2 имеем

Таким образом, если функция нескольких переменных задана явно, то вопросы существования и отыскания ее частных производных сводятся к соответствующим вопросам относительно функции одной переменной – той, по которой необходимо определить производную.

Рассмотрим неявно заданную функцию. Пусть уравнение F(x , y ) = 0 определяет неявную функцию одной переменной х . Справедлива

Теорема 7.1.

Пусть F(x 0 , y 0) = 0 и функции F(x , y ), F¢ х (x , y ), F¢ у (x , y ) непрерывны в некоторой окрестности точки (х 0 , у 0), причем F¢ у (x 0 , y 0) ¹ 0. Тогда функция у , заданная неявно уравнением F(x , y ) = 0, имеет в точке (x 0 , y 0) производную, которая равна

.

Если условия теоремы выполняются в любой точке области DÌ R 2 , то в каждой точке этой области .

Например, для функции х 3 –2у 4 + ух + 1 = 0 находим

Пусть теперь уравнение F(x , y , z ) = 0 определяет неявную функцию двух переменных. Найдем и . Так как вычисление производной по х производится при фиксированном (постоянном) у , то в этих условиях равенство F(x , y =const, z ) = 0 определяет z как функцию одной переменной х и согласно теореме 7.1 получим

.

Аналогично .

Таким образом, для функции двух переменных, заданной неявно уравнением , частные производные находят по формулам: ,

Похожие статьи