Очень часто при решении практических задач (например, в высшей геодезии или аналитической фотограмметрии) появляются сложные функции нескольких переменных, т. е. аргументы x, y, z одной функцииf (x,y,z) ) сами являются функциями от новых переменныхU, V, W ).
Так, например, бывает при переходе от неподвижной системы координат Oxyz в подвижную системуO 0 UVW и обратно. При этом важно знать все частные производные по "неподвижным" - "старым" и "подвижным" - "новым" переменным, так как эти частные производные обычно характеризуют положение объекта в этих системах координат, и, в частности, влияют на соответствие аэрофотоснимков реальному объекту. В таких случаях применяются следующие формулы:
То есть задана сложная функцияT трех "новых" переменныхU, V, W посредством трёх "старых" переменныхx, y, z, тогда:
Замечание. Возможны вариации в количестве переменных. Например: если
В частности, еслиz = f(xy), y = y(x) , то получаем так называемую формулу "полной производной":
Эта же формула "полной производной" в случае:
примет вид:
Возможны и иные вариации формул (1.27) - (1.32).
Замечание: формула "полной производной" используется в курсе физики, раздел "Гидродинамика" при выводе основополагающей системы уравнений движения жидкости.
Пример 1.10. Дано:
Согласно (1.31):
§7 Частные производные неявно заданной функции нескольких переменных
Как известно, неявно заданная функция одной переменной определяется так: функция у независимой переменной x называется неявной, если она задана уравнением, не разрешенным относительноy :
Пример 1.11.
Уравнение
неявно задаёт две функции:
А уравнение
не задаёт никакой функции.
Теорема 1.2 (существования неявной функции).
Пусть функция z =f(х,у) и ее частные производныеf" x иf" y определены и непрерывны в некоторой окрестностиU M0 точкиM 0 (x 0 y 0 ) . Кроме того,f(x 0 ,y 0 )=0 иf"(x 0 ,y 0 )≠0 , тогда уравнение (1.33) определяет в окрестностиU M0 неявную функциюy= y(x) , непрерывную и дифференцируемую в некотором интервалеD с центром в точке x 0 , причемy(x 0 )=y 0 .
Без доказательства.
Из теоремы 1.2 следует, что на этом интервале D :
то- есть имеет место тождество по
где "полная" производная находится согласно (1.31)
То есть (1.35) дает формулу нахождения производной неявно заданной функции одной переменной x .
Аналогично определяется и неявная функция двух и более переменных.
Например, если в некоторой области V пространстваOxyz выполняется уравнение:
то при некоторых условиях на функцию F оно неявно задаёт функцию
При этом по аналогии с (1.35) ее частные производные находятся так:
Пример 1.12. Считая, что уравнение
неявно задаёт функцию
найти z" x , z" y .
поэтому согласно (1.37) получаем ответ.
§8 Частные производные второго и более высоких порядков
Определение 1.9 Частные производные второго порядка функции z=z(x,y) определяются так:
Их оказалось четыре. Причем, при некоторых условиях на функции z(x,y) выполняется равенство:
Замечание. Частные производные второго порядка могут обозначаться и так:
Определение 1.10 Частных производных третьего порядка - восемь (2 3).
Производные высших порядков находятся последовательным дифференцированием формулы (1).
Пример. Найти и , если (x ²+y ²)³-3(x ²+y ²)+1=0.
Решение. Обозначая левую часть данного уравнения через f (х,y) найдем частные производные
f"x(x,y)=3(x²+y²)²∙2x-3∙2x=6x[(x²+y²)-1],
f"y(x,y)=3(x²+y²)²∙2y-3∙2y=6y[(x²+y²)-1].
Отсюда, применяя формулу (1), получим:
.
Чтобы найти вторую производную, продифференцируем по х найденную первую производную, учитывай при этом, что у есть функция х:
.
2°. Случай нескольких независимых переменных . Аналогично, если уравнение F(х, у, z)=0 , где F(х, у, z ) - дифференцируемая функция переменных х, у и z , определяет z как функцию независимых переменных х и у и Fz(x, у, z)≠ 0, то частные производные этой неявно заданной функции, вообще говоря, могут быть найдены по формулам
. |
Другой способ нахождения производных функции z следующий: дифференцируя уравнение F(х, у, z) = 0 , получим:
.
Отсюда можно определить dz, а следовательно, и .
Пример. Найти и , если x ² - 2 y ²+3 z ² - yz + y =0.
1-й способ. Обозначая левую часть данного уравнения через F(х, у, z) , найдем частные производные F"x(x,y,z)=2x, F"y(x,y,z)=-4y-z+1, F"z(x,y,z)=6z-y .
Применив формулы (2), получим:
2-й способ. Дифференцируя данное уравнение, получим:
2х dx -4 y dy +6 z dz - y dz - z dy + dy =0
Отсюда определяем dz , т. е. полный дифференциал неявной функции:
.
Сравнивая с формулой , видим, что
.
3°. Система неявных функций . Если система двух уравнений
определяет u и v как функции переменных х и у и якобиан
,
то дифференциалы этих функций (а следовательно, и их частные производные) могут быть найдены из системы уравнений
|
Пример: Уравнения u+v=x+y, xu+yv=1 определяют u и v как функции х и у ; найти .
Решение. 1-й способ. Дифференцируя оба уравнения по х, получим:
.
Аналогичным образом найдем:
.
2-й способ. Дифференцированием находим два уравнения, связывающие дифференциалы всех четырех переменных: du + dv = dx + dy , x du + u dx + y dv + v dy =0.
Решив эту систему относительно дифференциалов du и dv , получим:
4°. Параметрическое задание функции . Если функция г переменных х и у задана параметрически уравнениями x=x(u,v), y=y(u,v), z=z(u,v) и
,
то дифференциал этой функции может быть найден из системы уравнений
Зная дифференциал dz=p dx+q dy , находим частные производные и .
Пример. Функция z аргументов х и у задана уравнениями x=u+v, y=u²+v², z=u²+v² (u≠v ).
Найти и .
Решение. 1-й способ. Дифференцированием находим три уравнения, связывающие дифференциалы всех пяти переменных:
Из первых двух уравнений определим du и dv :
.
Подставим в третье уравнение найденные значения du и dv :
.
2-й способ. Из третьего данного уравнения можно найти:
Продифференцируем первые два уравнения сначала по х, затем по у :
Из первой системы найдем: .
Из второй системы найдем: .
Подставляя выражения и в формулу (5), получим:
Замена переменных
При замене переменных в дифференциальных выражениях входящие в них производные следует выразить через другие производные по правилам дифференцирования сложной функции.
1°. Замена переменных в выражениях, содержащих обыкновенные производные.
,
полагая .
у по х через производные от у по t . Имеем:
,
.
Подставляя найденные выражения производных в данное уравнение и заменяя х через , получим:
Пример. Преобразовать уравнение
,
приняв за аргумент у , а за функцию х.
Решение. Выразим производные от у по х через производные от х по у.
.
Подставив эти выражения производных в данное уравнение, будем иметь:
,
или, окончательно,
.
Пример . Преобразовать уравнение
перейдя к полярным координатам
x=r cos φ, y=r cos φ. |
Решение. Рассматривая r как функцию φ , из формул (1) получим:
dх = соsφ dr – r sinφ d φ, dy=sinφ+r cosφ dφ,
Пусть непрерывная функция у от х задаётся неявно F (x , y ) = 0, где F (x , y ), F " x (x , y ), F " y (x , y ) есть непрерывные функции в некоторой области D, содержащей точку (х , у ), координаты которой удовлетворяют соотношениям F (x , y ) = 0, F " y (x , y ) ≠ 0. Тогда функция у от х имеет производную
Доказательство (смотри рисунок.). Пусть F " y
(x
, y
) > 0. Так как производная F " y
(x
, y
) непрерывна, то можно построить квадрат [х
0 - δ" , х
0 + δ" , у
0 - δ" , у
0 + δ" ], чтобы для всех его точек было F " y
(x
, y
) > 0, то есть F
(x
, y
) является монотонной по у
при фиксированном х
. Таким образом, выполнены все условия теоремы существования неявной функции у
= f
(x
), такой, что F
(x
, f
(x
)) º 0.
Зададим приращение Δ х
. Новому значению х
+ Δ х
будет соответствовать у
+ Δ у
= f
(x
+ Δ x
), такое, что эти значения удовлетворяют уравнению F
(x
+ Δ x
, y
+ Δ y
) = 0. Очевидно, что
Δ F = F (x + Δ x , y + Δ y ) − F (x , y ) = 0
и в этом случае
.
Из (7) имеем
.
Так как неявная функция у = f (x ) будет непрерывна, то Δ у → 0 при Δ х → 0, значит α → 0 и β → 0. Откуда окончательно имеем
.
Что и требовалось доказать.
Частные производные и дифференциалы высших порядков.
Пусть частные производные функции z = f (x , y ), определенной в окрестности точки М, существуют в каждой точке этой окрестности. В этом случае частные производные представляют собой функции двух переменных х и у , определенные в указанной окрестности точки М. Назовем их частными производными первого порядка. В свою очередь, частные производные по переменным х и у от функций в точке М, если они существуют, называются частными производными второго порядка от функции f (М ) в этой точке и обозначаются следующими символами
Частные производные второго порядка вида , , называются смешенными частными производными.
Дифференциалы высших порядков
Будем рассматривать dx в выражении для dy как постоянный множитель.Тогда функция dy представляет собой функцию только аргумента x и ее дифференциал в точке x имеет вид (при рассмотрении дифференциала от dy будем использовать новые обозначения для дифференциалов):
δ (d y ) = δ [f " (x ) d x ] = [f " (x ) d x ] " δ x = f "" (x ) d (x ) δx .
Дифференциал δ (d y ) от дифференциала dy в точке x , взятый при δx = dx , называется дифференциалом второго порядка функции f (x ) в точке x и обозначается d 2 y , т.е.
d 2 y = f ""(x )·(dx ) 2 .
В свою очередь, дифференциал δ(d
2 y
) от дифференциала d
2 y
, взятый при δx = dx
, называется дифференциалом третьего порядка функции f
(x
) и обозначается d
3 y
и т.д. Дифференциал δ(d
n-1 y) от дифференциала d n
-1 f
, взятый при δx
= dx
, называется дифференциалом n
- го порядка (или n
- м дифференциалом) функции f
(x
) и обозначается d n y
.
Докажем, что для n
- го дифференциала функции справедлива формула
d n y = y (n ) ·(dx ) n , n = 1, 2, … (3.1)
При доказательстве воспользуемся методом математической индукции. Для n = 1 и n = 2 формула (3.1) доказана. Пусть она верна для дифференциалов порядка n - 1
d n −1 y = y (n −1) ·(dx ) n −1 ,
и функция y (n -1) (x ) дифференцируема в некоторой точке x . Тогда
Полагая δx = dx , получаем
что и требовалось доказать.
Для любого n
справедливо равенство
или
т.е. n - я производная функции y = f (x ) в точке x равна отношению n - го дифференциала этой функции в точке x к n - й степени дифференциала аргумента.
Производная по направлению функций нескольких переменных.
Рассматривается функция и единичный вектор . Проводится прямая l через т.М 0 с направляющим вектором
Определение 1. Производная функции u = u (x , y , z ) по переменной t называется производной по направлению l
Так как на этой прямой u – сложная функция одной переменной, то производная по t равна полной производной по t (§ 12).
Она обозначается и равна
Несомненно, в нашем сознании образ функции ассоциируется с равенством и соответствующей ему линией – графиком функции. Например, - функциональная зависимость, графиком которой является квадратичная парабола с вершиной в начале координат и направленными вверх ветвями; - функция синуса, известная своими волнами.
В этих примерах в левой части равенства находится y , а в правой части – выражение, зависящее от аргумента x . Другими словами, имеем уравнение, разрешенное относительно y . Представление функциональной зависимости в виде такого выражения называется явным заданием функции (или функцией в явном виде ). И этот тип задания функции является для нас наиболее привычным. В большинстве примеров и задач нам предстают именно явные функции. Про дифференцирование функций одной переменной, заданных в явном виде, мы уже в деталях поговорили.
Однако, функция подразумевает соответствие между множеством значений величины x и множеством значений y , причем это соответствие НЕ обязательно устанавливается какой-либо формулой или аналитическим выражением. То есть, существует множество способов задания функции помимо привычного .
В данной статье мы рассмотрим неявные функции и способы нахождения их производных . В качестве примеров функций, заданных неявно, можно привести или .
Как Вы заметили, неявная функция определяется соотношением . Но не все такие соотношения между x и y задают функцию. Например, ни одна пара действительных чисел x и y не удовлетворяет равенству , следовательно, это соотношение неявную функцию не задает.
Может неявно определять закон соответствия между величинами x и y , причем каждому значению аргумента x может соответствовать как одно (в этом случае имеем однозначную функцию) так и несколько значений функции (в этом случае функцию называют многозначной). К примеру, значению x = 1 соответствует два действительных значения y = 2 и y = -2 неявно заданной функции .
Неявную функцию привести к явному виду далеко не всегда возможно, иначе не пришлось бы дифференцировать сами неявные функции. Например, - не преобразовывается к явному виду, а - преобразовывается.
Теперь к делу.
Чтобы найти производную неявно заданной функции, необходимо продифференцировать обе части равенства по аргументу x , считая y – функцией от x , и после этого выразить .
Дифференцирование выражений, содержащих x и y(x) , проводится с использованием правил дифференцирования и правила нахождения производной сложной функции . Давайте сразу подробно разберем несколько примеров, чтобы дальше не было вопросов.
Пример.
Продифференцировать выражения по x , считая y функцией от x .
Решение.
Так как y – это функция от x , то - это сложная функция. Ее можно условно представить как f(g(x)) , где f – функция возведения в куб, а g(x) = y . Тогда, по формуле производной сложной функции имеем: .
При дифференцировании второго выражения выносим константу за знак производной и действуем как в предыдущем случае (здесь f
– функция синуса, g(x) = y
):
Для третьего выражения применяем формулу производной произведения:
Последовательно применяя правила, продифференцируем последнее выражение:
Вот теперь можно переходить к нахождению производной неявно заданной функции, для этого все знания есть.
Пример.
Найти производную неявной функции .
Решение.
Производная неявно заданной функции всегда представляется в виде выражения, содержащего x
и y
: . Чтобы прийти к такому результату, продифференцируем обе части равенства:
Разрешим полученное уравнение относительно производной:
Ответ:
.
ЗАМЕЧАНИЕ.
Для закрепления материала решим еще пример.
Производная сложной функции. Полная производная
Пусть z=ƒ(х;у) - функция двух переменных х и у, каждая из которых является функцией независимой переменной t: х = x(t), у = y(t). В этом случае функция z = f(x(t);y(t)) является сложной функцией одной независимой переменной t; переменные х и у - промежуточные переменные.
Если z = ƒ(х;у) - дифференцируемая в точке М(х;у) є D функция и х = x(t) и у = y(t) - дифференцируемые функции независимой переменной t, то производная сложной функции z(t) = f(x(t);y(t)) вычисляется по формуле
Дадим независимой переменной t приращение Δt. Тогда функции х = = x(t) и у = y{t) получат приращения Δх и Δу соответственно. Они, в свою очередь, вызовут приращение Az функции z.
Так как по условию функция z - ƒ(х;у) дифференцируема в точке М(х; у), то ее полное приращение можно представить в виде
где а→0, β→0 при Δх→0, Δу→0 (см. п. 44.3). Разделим выражение Δz на Δt и перейдем к пределу при Δt→0. Тогда Δх→0 и Δу→0 в силу непрерывности функций х = x(t) и у = y(t) (по условию теоремы - они дифференцируемые). Получаем:
Частный случай: z=ƒ(х;у), где у=у(х), т. е. z=ƒ(х;у(х)) - сложная функция одной независимой переменной х. Этот случай сводится к предыдущему, причем роль переменной t играет х. Согласно формуле (44.8) имеем:
Формула (44.9) носит название формулы полной производной.
Общий случай: z=ƒ(х;у), где x=x(u;v), у=у(u;v). Тогда z= f(x(u;v);y(u;v)) - сложная функция независимых переменных u и v. Ее частные производные можно найти, используя формулу (44.8) следующим образом. Зафиксировав v, заменяем в ней соответствующими частными производными