Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП

Глава 2 ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ

Лекция 2 ФНП, предел, непрерывность,
частные производные и дифференциал

Что главное мы узнали на прошлой лекции

Были изучены несобственные интегралы с неограниченной областью интегрирования и неограниченными функциями.

Что мы узнаем на этой лекции

Мы приступим к изучению функций, зависящих от нескольких аргументов. Выясним, что понимается под аргументом ФНП как такие понятия, как предел, непрерывность, производная вводятся для ФНП.

Евклидово пространство

Вспомним некоторые важные понятия, изученные в 1 семестре. Мы познакомились с векторами на плоскости и в пространстве. Векторы на плоскости обладают рядом важных свойств. Для них введены операции сложения векторов и умножения вектора на число. Результатом этих операций являются вектора на плоскости, причем справедливы следующие 8 свойств: 1) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru - коммутативность, 2) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru - ассоциативность, 3) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru - существование нулевого элемента, 4) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru существование противоположного элемента Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , 5) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,
6) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru дистрибутивность для числовых коэффициентов,
7) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru - дистрибутивность для векторов, 8) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Определение 1. Множество элементов произвольной природы называется векторным пространством или линейным векторным пространством, если для этих элементов введены операции сложения и умножения на действительное число, причем для этих операций справедливы 8 свойств, указанных для операций с геометрическими векторами.

Пусть заданы векторы Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru векторного пространства и числа Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Величина Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru (1)

называется линейной комбинацией заданных векторов Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . При этом числа Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru называются коэффициентами линейной комбинации (1). Очевидно, что линейная комбинация векторов равна Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru (нулевому вектору), если все коэффициенты линейной комбинации равны 0.

Определение 2. Система векторов Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru называется линейно независимой системой векторов, если из равенства Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ее линейной комбинации следует, что все коэффициенты этой линейной комбинации равны 0.

Определение 3. Линейно независимая система векторов линейного векторного пространства Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru называется базисом этого векторного пространства, если каждый его вектор является линейной комбинацией векторов Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . При этом коэффициенты этой линейной комбинации определяются однозначно и называются координатами вектора в этом базисе.

Мы знаем, что для геометрических векторов справедливы следующие свойства скалярного произведения:

1) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , 2) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,

3) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , 4) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Определение 4. Пусть в линейном векторном пространстве введена операция, ставящая в соответствие двум векторам число. Такое соответствие, удовлетворяющее условиям 1) – 4) называется скалярным произведением векторов и обозначается символом Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru или Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Определение 5. Линейное векторное пространство Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru с введенным скалярным произведением называется евклидовым пространством Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Можно доказать, что элементов базиса линейного векторного пространства не зависит от выбора базиса. Это число и называется размерностью такого пространства. Линейное пространство может быть бесконечно мерным.

Отметим, что Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru -мерные векторные и евклидовы пространства обозначаются соответственно символами Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Мы знаем, что наиболее удобными базисами на плоскости и в пространстве являются системы взаимно перпендикулярных векторов единичной длины. Евклидовы пространства замечательны тем, что при наличии произвольного базиса из Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru векторов можно с помощью разрешенных линейных операций создать ортонормированный базис.

Определение 6. Базис в евклидовом линейного векторного пространства Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru называется ортонормированным базисом, если Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru

Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП

Под функцией мы понимаем отображение одного множества на другое. До сих пор мы рассматривали функцию вида Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , которая реализовывала отображение множества на оси абсцисс (область определения функции) на множество на оси ординат (множество значений функции Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ).

Под функцией нескольких переменных мы будем понимать отображение множества в Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru -мерном евклидовом пространстве Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru (область определения функции) на множество на оси (множество значений функции). Тем самым функция нескольких переменных может быть записана в виде Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , где Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru - элемент евклидова пространства. Можно использовать запись Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Изучая функцию одной переменной Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , мы изучали числовые последовательности, предел числовой последовательности, предел функции, непрерывность функции, точки экстремума функции.

Наша цель – построить и изучить аналогичную теорию для ФМП. Этот раздел посвящен вопросам, связанным с пределами и непрерывностью функций.

Давайте вспомним, что такое предел функции одной переменной. Предел функции Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru (по Коши) при Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , стремящимся к Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , равен Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , если для каждого, сколь угодно малого положительного числа Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru найдется положительное число Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , обладающее следующим свойством. Если расстояние от точки Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru до не равной ей точки Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru меньше Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , то модуль разности чисел Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru меньше наперед заданного числа Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ( Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ).

Для того, чтобы дать это и аналогичные определения для ФМП, надо ввести расстояние между точками – аргументами ФНП (=ФМП). Это делают следующим образом. Пусть начало координат с ортонормированным базисом находится в точке Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и заданы две точки Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Рассмотрим векторы Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и определим скалярное произведение этих векторов формулой Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Несложно проверить, что все свойства скалярного произведения выполнены. Именно так и принято вводить скалярное произведение в евклидовом пространстве.

При наличии скалярного произведения, которое гарантированно есть в евклидовом пространстве, можно ввести длину вектора и расстояние между точками евклидова пространства, что позволяет обобщить понятия предела последовательности, предела функции, непрерывности функции на случай ФНП.

Длиной вектора Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru мы назовем квадратный корень из его скалярного квадрата, т. е. Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Расстоянием между точками Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru равно длине вектора Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , их соединяющего, т. е. Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Заметим, что это определение обобщает обычное расстояние между точками на плоскости и в пространстве, известные нам из школы.

Пример 1. Расстояние между точками Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru на плоскости равно длине вектора Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , их соединяющего, т. е. Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Расстояние между точками Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru в пространстве равно длине вектора Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , их соединяющего, т. е. Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Сформулируем определение предела для последовательности точек в евклидовом пространстве.

Определение 1. Пусть задана последовательность точек Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ,…. Мы будем говорить, что число Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru является пределом этой последовательности, т. е. Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , если для каждого, сколь угодно малого положительного числа Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru найдется номер Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , зависящий от Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , такой что при выполнении условия Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru выполнено условие Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . ( Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru ).

Пример 2. Заметим, что условию Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru удовлетворяют точки Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru -окрестности точки Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . В одномерном случае для функции одной переменной окрестностью точки на оси является интервал длины Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Для плоскости – пространства размерности 2 такой Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru -окрестностью является внутренность круга радиуса Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Для реально пространства – пространства размерности 3 такой Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru -окрестностью является внутренность шара радиуса Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Сформулируем определение предела для ФНП.

Определение 2. Пусть задана функция Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru переменных Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru где Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru - элемент евклидова пространства. Мы будем говорить, что число Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru является пределом этой функции, т. е. Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , если для каждого, сколь угодно малого положительного числа Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru найдется положительное число Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , обладающее следующим свойством. Если расстояние от точки Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru до не равной ей точки Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru меньше Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , то модуль разности чисел Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru меньше Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Формально это записывается в виде: Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Это определение соответствует определению предела функции одной переменной по Коши, которое эквивалентно определению предела функции по Гейне. Формулировка определения предела функции по Гейне, которая сохраняется для функции нескольких переменных, заключается в записи Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Смысл этого в том, что Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru означает с учетом области определения, что из того, что предел последовательности аргументов равен Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , следует, что предел соответствующих значений функции равен Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Перейдем к определению непрерывности ФНП. Здесь полностью сохраняются формулировки определения непрерывности для функции одной переменной. Функция непрерывна в точке, если предел функции при подходе к этой точке равен значению функции в этой точке. Запишем это формально.

Определение 3. Пусть задана функция Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru переменных Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru где Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru - элемент евклидова пространства. Мы будем говорить, что функция Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru непрерывна в точке Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , если Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru .

Соответственно функция непрерывна на множестве, если она непрерывна в каждой точке этого множества.

Пример 3. Найдите пределы функций: а) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , б) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru и исследуйте функции в) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , г) Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru на непрерывность.

Решение. Докажем, что Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru не существует. В самом деле, пусть мы приближаемся к предельной точке Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru по прямой Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . На этой прямой значение функции Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru равно Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , т. е. во всех точках, кроме предельной, равно Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru . Эта величина зависит от Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru , следовательно, Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП - student2.ru не существует.

Наши рекомендации