Дистанционный курс высшей математики НИЯУ МИФИ Математический анализ 2 семестр Лекция 11 Производные сложных функций, производные неявных функций, дифференциалы, производные высших порядков. 14 мая 2014 года Лектор: Профессор НИЯУ МИФИ, д.ф.-м.н. Орловский Дмитрий Германович План занятий Дата Тема 14 мая 2014 Непрерывные функции и их свойства. Дифференцируемость и дифференциал, частные производные, производная сложной функций, производные неявных функций, дифференциалы и производные высших порядков. 21 мая 2014 Формула Тейлора для функций нескольких переменных. Экстремум функции, необходимые и достаточные условия экстремума. n-мерное арифметическое пространство R n {( x1 , x2 , . . . , xn ) : xi R (1 i n)} x ( x1 , x2 , . . . , xn ), y ( y1 , y2 , . . . , yn ). Линейные операции: x y ( x1 y1 , x2 y2 , . . . , xn yn ), λx (λx1 , λx2 , . . . , λxn ). Скалярное произведение, длина, расстояние: xy x y x1 y1 x2 y2 . . . xn yn , | x | || x || x12 x22 . . . xn2 , ρ( x, y ) | x y | ( x1 y1 ) 2 ( x2 y2 ) 2 . . . ( xn yn ) 2 . Неравенство Коши-Буняковского, неравенство треугольника: | xy | | x || y |, ρ( x, z ) ρ( x, y ) ρ( y, z ). n-мерное арифметическое пространство U ( a, R ) {x R n : | x a | R} (шар с центром a радиуса R ) S ( a, R ) {x R n : | x a | R} (сфера с центром a радиуса R ) U ( a, R ) {x R n : | x a | R} (замкнутый шар с центром a радиуса R ) U ( a, R ) {x R n : | x a | R} (R окрестность точки a ) O U ( a, R ) {x R n : 0 | x a | R} (проколатая R окрестность точки a ) Непрерывность функции Пусть задана функция f(x) n переменных с областью определения D(f), лежащей в Rn и пусть точка а ∊ D(f). Функция f(x) называется непрерывной в точке x=a, если она удовлетворяет одному из двух следующих равносильных определений: (1) Для любой последовательности xk , лежащей в области определения f ( x) и сходящейся к a, последовательность значений функции f ( xk ) сходится к f (a). (2) Для любого ε 0 существует такое 0, что для всех точек, лежащих в U (a, ) D( f ) выпоняется неравенство | f ( x) f (a ) | ε. Непрерывность функции Два основных случая: 1) x=a – изолированная точка D(f). В этом случае функция f(x) автоматически непрерывна в точка x=a. 2) x=a – предельная точка D(f). В этом случае функция f(x) непрерывна в точке x=a тогда и только тогда, когда lim f ( x) f (a). xa Непрерывность функции Свойства непрерывных функций 1) Если f(x) и g(x) непрерывны в точке x=a, то αf(x)+βg(x) также непрерывна в точке x=a. 2) Если f(x) и g(x) непрерывны в точке x=a, то f(x)g(x) также непрерывна в точке x=a. 3) Если f(x) и g(x) непрерывны в точке x=a, причем g(a)≠0, то f(x)/g(x) также непрерывна в точке x=a. Векторная функция Векторная функция (вектор-функция) f ( x) ( f1 ( x), f 2 ( x), . . . , f m ( x)), x R n , f ( x) R m . (подразумевается, что все координатные функции имеют общую область определения, которая и является областью определения векторной функции) A ( A1 , A2 , . . . , Am ), A lim f ( x) : xa O ε 0 δ 0 x U (a, δ) D( f ) | f ( x) A | ε (a – предельная точка области определения функции). A lim f ( x ) Ai lim f i ( x) (1 i m.) x a x a Непрерывность векторной функции (1) Для любой последовательности xk , лежащей в области определения f ( x) и сходящейся к a, последовательность значений функции f ( xk ) сходится к f (a). (2) Для любого ε 0 существует такое 0, что для всех точек, лежащих в U (a, ) D( f ) выпоняется неравенство | f ( x) f (a ) | ε. f ( x) непрерывна в точке а все функции f1 ( x), f 2 ( x), . . . , f m ( x) непрерывны в точке а. Сложная функция Сложная функция y f ( x), x R n ; x g ( z ), x R n , z R m . F ( z ) f ( g ( z )), D( F ) {z D( g ) : g ( z ) D( f )} Непрерывность сложной функции Теорема. Пусть g ( z ) непрерывна при z a, f ( x) непрерывна при b g (a ). Тогда сложная функция F ( z ) f ( g ( z )) неперывна при z a. Глобальные свойства Теорема о промежуточных значениях Пусть функция f непрерывна, а ее область определения связна. Тогда f принимает все свои промежуточные значения: a, b D( f ); f (a) C f (b) c D( f ) : f (c) C. Определение: компакт – ограниченное и замкнутое множество. Теоремы Вейерштрасса: Теорема 1. Функция, непрерывная на компакте, ограничена на нем. Теорема 2. Функция, непрерывная на компакте, принимает на нем наибольшее и наименьше значения. Дифференцируемость функции Частные производные Производная функции n переменных по i-му аргументу – это обычная производная функции при фиксированных переменных – всех, кроме переменной с номером i. f (a1 , a2 , . . . , an ) xi d f (a1 , a2 , . . . , ai 1 , xi , ai 1 , . . . , an ) x a i i dxi Дифференцируемость функции Пример: xy 2 2 , x y 0, 2 2 f ( x, y ) x y 0, x y 0. f f ( x,0) f (0,0) 00 (0,0) lim lim 0, x 0 x 0 x x x f f (0, y ) f (0,0) 00 (0,0) lim lim 0. y 0 x 0 y y y Функция не является непрерывной в точке x=y=0: 2 1 1 1 / k 1 1 lim f , lim lim f (0,0). 2 2 k k k 2 1/ k 1/ k 2 k k Дифференцируемость функции Определение. Пусть точка x=a является предельной точкой области определения D(f) функции f(x). Функция f(x) называется дифференцируемой в точке x=a если существуют такие постоянные A1, A2, … , An, что при всех x∊D(f) n где f ( x) f (a ) Ai ( xi ai ) ( x) | x a |, i 1 lim ( x) 0. x a Равносильная форма записи n f ( x) f (a ) Ai ( xi ai ) o(| x a |). i 1 Дифференциал функции и независимых переменных: n df Ai dxi , dxi xi ai . i 1 Дифференцируемость функции Теорема (необходимые условия дифференцируемости). Пусть функция f(x) дифференцируема в точке x=a, тогда (1) Функция f(x) непрерывна в точке x=a. (2) Если a – внутренняя точка D(f), то в точке x=a существуют все частные производные, причем в представлении приращения функции f Ai xi (a). Доказательство (1). Из представления приращения функции n имеем f ( x) f (a ) Ai ( xi ai ) ( x) | x a | i 1 и в силу арифметических свойств предела n lim f ( x) f (a) Ai 0 0 0 f (a). xa i 1 Дифференцируемость функции Доказательство (2). Пусть x (a1 , . . . , ai 1 , xi , ai 1 , . . . , an ), F ( xi ) f ( x) f (a1 , a2 , . . . , ai 1 , xi , ai 1 , . . . , an ). В этом случае | x a | | xi ai | . Так как a – внутренняя точка D(f), то существует шар |x-a|<R, целиком лежащий в D(f). Это означает, что при | xi ai | R, точка x попадает в D(f). т. е. a – внутренняя точка D(F). При этом F ( xi ) F (ai ) Ai ( xi ai ) o(| xi ai |). Следовательно, функция F дифференцируема и Ai F ' (ai ) f (a1 , a2 , . . . , an ) xi Дифференцируемость функции Следствие. Если точка x=a является внутренней точкой области определения функции f(x) и эта функция дифференцируема в точке x=a, то дифференциал функции определяется равенством f df dxi i 1 xi n Дифференцируемость функции Достаточное условие дифференцируемости Теорема. Пусть все частные производные функции f существуют в некоторой окрестности точки x=a и непрерывны в самой точке x=a, тогда функция f дифференцируема в точке x=a. Дифференцируемость функции f ( x1 , x2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) f (a1 , a2 , a3 , . . . , an 1 , an ) f ( x1 , x2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) f (a1 , x2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) f (a1 , x2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) f (a1 , a2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) f (a1 , a2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) f (a1 , a2 , a3 , . . . , xn 1 , xn ) ................................. f (a1 , a2 , a3 , . . . , an 1 , xn ) f (a1 , a2 , a3 , . . . , an 1 , an ). Дифференцируемость функции По теореме Лагранжа f f ( x1 , x2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) f (a1 , x2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) (ξ1 , x2 , x3 , . . . , xn 1 , xn )( x1 a1 ), x1 f f (a1 , x2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) f (a1 , a2 , x3 , . . . , xn 1 , xn ) (a1 , ξ 2 , x3 , . . . , xn 1 , xn )( x2 a2 ), x2 ........................................................... f f (a1 , a2 , a3 , . . . , an 1 , xn ) f (a1 , a2 , a3 , . . . , an 1 , an ) (a1 , a2 , a3 , . . . , an 1 , ξ n )( xn an ). xn 0 | ξ i ai | | xi ai | ξ i ( x) непрерывна при x a lim ξ i ( x) ξ i (a) ai xa Дифференцируемость функции f (a1 , a2 , a3 , . . . , ai 1 , ξ i ( x), ai 1 , . . . , an ) x a x i lim Пусть тогда где f f (a1 , a2 , a3 , . . . , ai 1 , ai , ai 1 , . . . , an ) (a ). xi xi f f i ( x) (a1 , a2 , a3 , . . . , ai 1 , ξ i ( x), ai 1 , . . . , an ) (a), xi xi f f (a1 , a2 , a3 , . . . , ai 1 , ξ i ( x), ai 1 , . . . , an ) (a) i ( x) xi xi lim i ( x) 0. x a Следовательно, n f f ( x) f ( a ) (a)( xi ai ) i ( x)( xi ai ). i 1 xi i 1 n Дифференцируемость функции Остается доказать, что n ( x)( x a ) o(| x a |). i i 1 Пусть i i n ( x)( x a ) ( x) i 1 i i | xa| тогда n i , ( x)( x a ) ( x) | x a | i 1 i i i и достаточно доказать, что lim ( x) 0. x a Дифференцируемость функции n ( x) ( x)( x a ) i 1 i i | xa| i ( xi ai ) i ( x) . | xa| i 1 n | xi ai | | xi ai | 1 2 2 | xa| ( x1 a1 ) . . . ( xn an ) | xi ai | lim i ( x) 0 x a | xa| lim ( x) 0. x a Дифференцируемость векторной функции f1 ( x) f 2 ( x) f ( x) , ...... f ( x) m x1 x2 x , ... x n a1 a2 a , ... a n 1 ( x ) 2 ( x) ( x) . ...... ( x) m Функция дифференцируема в точке, являющейся предельной точкой области определения, если существует такая матрица A и вектор-функция α(x), что f ( x) f (a) A( x a) ( x) | x a |, lim ( x) 0. x a Дифференцируемость векторной функции n f i ( x) f i (a ) Aij ( x j a j ) i ( x) | x a |, j 1 lim i ( x) 0, 1 i m. xa Дифференцируемость векторной функции равносильна дифференцируемости всех координатных функций. Дифференциалом независимой векторной переменной называется его приращение dx x a Дифференциал векторной функции df ( x) Adx Дифференцируемость векторной функции Во внутренней точке области определения функции элементы матрицы A представляют собой частные производные f i Aij (a). x j Матрица из частных производных называется матрицей Якоби f i A f ' (a) (a) . x j Производная сложной функции f1 ( x1 , x2 , . . . , x n ) y1 f 2 ( x1 , x2 , . . . , x n ) y1 y f ( x) , ... .... y f (x , x , ... ,x ) n k k 1 2 g1 ( z1 , z2 , . . . , z m ) x1 g 2 ( z1 , z2 , . . . , z m ) x1 x g ( z) . ... .... x g (z , z , ... ,z ) m n n 1 2 F ( z ) f ( g ( z )). F1 ( z1 , z 2 , . . . , z m ) f1 ( g1 ( z1 , z 2 , . . . , z m ), g 2 ( z1 , z 2 , . . . , z m ), . . . , g n ( z1 , z 2 , . . . , z m )) F2 ( z1 , z 2 , . . . , z m ) f 2 ( g1 ( z1 , z 2 , . . . , z m ), g 2 ( z1 , z 2 , . . . , z m ), . . . , g n ( z1 , z 2 , . . . , z m )) ........................................................................................ Fk ( z1 , z 2 , . . . , z m ) f k ( g1 ( z1 , z 2 , . . . , z m ), g 2 ( z1 , z 2 , . . . , z m ), . . . , g n ( z1 , z 2 , . . . , z m )) Производная сложной функции Теорема. Пусть z=a предельная точка области определения сложной функции F(z)=f(g(z)), функция g(z) дифференцируема в точке z=a и dg (a ) Bdz , пусть также функция f(x) дифференцируема в точке b=g(a) и df (b) Adx. Тогда сложная функция F(z) дифференцируема в точке z=a и dF (a ) ( AB)dz. Производная сложной функции f ( x) f (b) A( x b) ( x) | x b |, lim ( x) 0. x b g ( z ) g (a) B( z a) β( z ) | z a |, lim β( z ) 0. z a F ( z ) F (a) f ( g ( z )) f ( g (a)) A( g ( z ) g (a)) ( g ( z )) | g ( z ) g (a) | A( B( z a) β( z ) | z a |) ( g ( z )) | g ( z ) g (a) | AB( z a) [( Aβ( z )) | z a | ( g ( z )) | g ( z ) g (a) |]. Остается доказать, что ( Aβ( z )) | z a | ( g ( z )) | g ( z ) g (a) | o(| z a |). или ( Aβ( z )) | z a | o(| z a |), ( g ( z )) | g ( z ) g (a) | o(| z a |). Производная сложной функции ( Aβ( z )) | z a | o(| z a |). Лемма. Справедливо неравенство n 2 | A | ij . | Ax | M ( A) | x |, где M ( A) i , j 1 k ( Ax) | Ax | 2 i i 1 k n ( A ) | x | 2 i 1 j 1 ij 2 k n ( Aij x j ) 2 i 1 j 1 k n k n 2 ( A )( x ij j ) i 1 j 1 k ( A ) | x | A 2 i 1 j 1 ij n 2 i , j 1 2 ij j 1 | x | M ( A) | x | | Aβ( z ) | M ( A) | β( z ) | Aβ( z ) 0 при z a Производная сложной функции ( g ( z )) | g ( z ) g (a) | o(| z a |). g ( z ) g (a) B( z a) β( z ) | z a |, lim β( z ) 0. z a | g ( z ) g (a ) || B( z a ) β( z ) | z a || | B( z a ) | | β( z ) || z a | M ( B) | z a | | β( z ) || z a | [ M ( B) | β( z ) |] | z a | O(| z a |) lim ( x) 0, lim g ( z ) 0 lim ( g ( z )) 0 x b z a z a ( g ( z )) | g ( z ) g (a) | o(| z a |). Производная сложной функции Следствие. Для внутренних точек областей определения f ( g (a))' f ' ( g (a)) g ' (a) Таким образом, в этом случае n n f s f s gi f s xi zk i 1 xi zk i 1 xi zk Производная сложной функции Частный случай скалярной функции (k=1): y f ( x) f ( x1 , x2 , . . . , x n ), xi gi ( z1 , z2 , . . . , z m ), 1 i n. n f f xi zk i 1 xi zk Частный случай внешней функции одной переменной (n=1): y f ( x), x g ( z1 , z2 , . . . , z m ). f x f ' ( x) z k z k Производная сложной функции Примеры. u sin( x y ), u cos( x y ), x u cos( x y ) y u ln( x y 2 ), u 1 , 2 x x y u 2y y x y 2 y u arctg , x u 1 y y , 2 2 2 2 x 1 ( y / x ) x x y u 1 x 1 2 2 y 1 ( y / x ) x x y 2 Производная сложной функции u f (ξ, η, ζ), ξ x 2 y 2 , η x 2 y 2 , ζ 2 xy Для частных производных удобно ввести другие обозначения f f f f1 (ξ, η, ζ ), f 2 (ξ, η, ζ), f 3 (ξ, η, ζ ) ξ η ζ В этих обозначениях получаем u f1 2 x f 2 2 x f 3 2 y 2 xf1 2 xf2 2 yf 3 , x u f1 2 y f 2 (2 y ) f 3 2 x 2 yf1 2 yf 2 2 xf3 , y Производная сложной функции Показать, что функция u (x2 y 2 ) удовлетворяет уравнению u u y x 0 x y u u 2 2 ' ( x y ) 2 x, ' ( x 2 y 2 ) 2 y, x y u u y x y ' ( x 2 y 2 ) 2 x x ' ( x 2 y 2 ) 2 y x y 2 xy( ' ( x 2 y 2 ) ' ( x 2 y 2 )) 0 Производная сложной функции Инвариантность формы первого дифференциала Для независимых переменных f df ( x1 , x2 , . . . , x n ) dxi i 1 xi n Для зависимых переменных f df ( x1 ( z1 ,..., z m ), . . . , x n ( z1 ,..., zm )) dzk k 1 z k m n m f xi f xi dz k dz k k 1 i 1 xi z k i 1 k 1 xi z k m n f i 1 xi n n xi f dz k dx i k 1 z k i 1 xi m Свойства дифференциала (1) d (cf ( x)) cdf ( x) (c const ) n (cf ( x)) ( f ( x)) d (cf ( x)) dxi c dxi xi xi i 1 i 1 n ( f ( x)) c dxi cdf ( x) xi i 1 n (2) d ( f ( x) g ( x)) df ( x) dg ( x) n f ( x ) g ( x ) ( f ( x ) g ( x )) d ( f ( x ) g ( x )) dxi dxi xi xi i 1 i 1 xi n n f ( x ) g ( x ) dxi dxi df ( x ) dg ( x ) i 1 xi i 1 xi n Свойства дифференциала (3) d ( f ( x) g ( x)) (df ( x)) g ( x) f ( x)( dg ( x)) n f ( x ) ( f ( x ) g ( x )) g ( x ) d ( f ( x ) g ( x )) dxi g ( x) f ( x) dxi xi xi i 1 i 1 xi n n f ( x ) n g ( x ) dxi g ( x ) f ( x ) dxi (df ( x )) g ( x ) f ( x )(dg ( x )) i 1 xi i 1 xi f ( x ) (df ( x )) g ( x ) f ( x )(dg ( x )) (4) d 2 g ( x ) g ( x ) d f ( x ) g ( x ) g ( x ) f ( x ) n f ( x) n f ( x) xi xi dx dxi i 2 g ( x ) i 1 xi g ( x ) g ( x) i 1 n f ( x ) n g ( x ) dx g ( x ) f ( x ) dx i i x x ( df ( x )) g ( x ) f ( x )( dg ( x )) i 1 i 1 i i g ( x )2 g ( x )2 Свойства дифференциала Пример. x u 2 y Первое решение: u 1 u 2x 2, 3 x y y y 1 2x du 2 dx 3 dy y y Второе решение: (dx) y 2 x(2 ydy ) ydx 2 xdy dx 2 xdy du 2 3 4 3 y y y y u 1 u 2x 2, 3 x y y y Производные неявных функций f1 ( x1 , x2 , . . . , xn , y1 , y2 , . . . , yk ) 0, f ( x , x , . . . , x , y , y , . . . , y ) 0, n 1 2 k 2 1 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , f i ( x1 , x2 , . . . , xn , y1 , y2 , . . . , yk ) 0, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , f k ( x1 , x2 , . . . , xn , y1 , y2 , . . . , yk ) 0. k f i f y j i 0 xm j 1 y j xm y1 y1 ( x1 , x2 , . . . , xn ), y y ( x , x , . . . , x ), 2 1 2 n 2 . . . . . . . . . . . . . . , yi yi ( x1 , x2 , . . . , xn ), . . . . . . . . . . . . . . , yk yk ( x1 , x2 , . . . , xn ). f f i f f i y y j , , x xm y ym x xm f f y f y f 0, x y x y x x 1 f f y x y x Производные неявных функций Случай одного уравнения для функции одной переменной f f f f ( x, y ) 0, f ( x, y ( x)) 0, y ' 0, y ' x f x y y Примеры. x2 y 2 2 x 2 yy' b2 x 2 1, 2 2 0, y' 2 2 a b a b a y y' xy ln y 1, y xy ' 0, y 1 y2 x y y ' y, y ' xy 1 Производные неявных функций Случай одного уравнения для функции нескольких переменных f ( x1 , x2 , . . . , xn , y ) 0, f ( x1 , x2 , . . . , xn , y ( x1 , x2 , . . . , xn )) 0, f f y 0, xi y xi f xi y f xi y Примеры x2 y2 z 2 2 2 1, 2 a b c 2 x 2 zz x 2 y 2 zz y 2 0, 2 2 0, 2 a c b c c2 x c2 y zx 2 , z y 2 a z b z z 3 xz y 0, 3z 2 z x z xzx 0, 3z 2 z y xzy 1 0, z 1 zx 2 , zy 3z x x 3z 2 Дистанционный курс высшей математики НИЯУ МИФИ Математический анализ. Производные сложных функций, производные неявных функций, дифференциалы, производные высших порядков. Лекция 11 завершена. Спасибо за внимание! Тема следующей лекции: Формула Тейлора для функций нескольких переменных. Экстремум функций нескольких переменных. Лекция состоится в среду 21 мая В 10:00 по Московскому времени.