Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных

N ‑ мерное арифметическое пространство Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru мы рассматривали до сих пор как множество точек Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru . Между тем часто это пространство можно рассматривать как пространство векторов, понимая под вектором набор чисел Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru . Действия над векторами определим следующим образом:

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru

Теперь функцию Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru можно обозначить Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru , и считать, что она определена на множестве векторов, которые для удобства будем называть точками.

Определение 14.1. Полным приращением функции n переменных в точке Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru называется следующая разность

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Определение 14.2. Функция n переменных Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru называется дифференцируемой в точке Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru , если ее полное приращение в этой точке можно представить следующим образом

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru

где Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru ‑ бесконечно малые функции при Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Пример 14.1. Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru , полное приращение этой функции имеет вид

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru ,

т.е. функция дифференцируема в любой точке плоскости.

Конец примера.

Определение 14.3. Дифференциалом функции n переменных называется главная линейная часть полного приращения функции, то есть

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Дифференциалы самих независимых переменных определим как их приращения, то есть

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru ,

тогда дифференциал функции принимает вид

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Теорема 14.1. (необходимое условие дифференцируемости функции). Для дифференцируемости функции необходимо существование частных производных.

Доказательство очевидно.

Теорема 14.2. (достаточное условие дифференцируемости функции).

Для дифференцируемости функции достаточно непрерывности ее частных производных.

Доказательство. При доказательстве ограничимся функциями 2-х переменных. Рассмотрим полное приращение функции

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru

По теореме Лагранжа

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Аналогично

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru ,

отсюда

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru

Выражения стоящие в квадратных скобках в силу непрерывности частных производных есть бесконечномалые функции при Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru , то есть функция по определению дифференцируема.

Конец доказательства.

Пример 14.2. Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru ‑ эти производные непрерывны, поэтому функция дифференцируема и Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Конец примера.

Используя определение дифференциала, несложно доказать следующие правила дифференцирования:

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru

Вопрос 14.2. Дифференцирование сложной функции. Инвариантность формы первого дифференциала.

Теорема 14.3. Пусть функция Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru дифференцируема в точке Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru , а функции

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru ,

дифференцируемы в точке Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru . Тогда сложная функция Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru дифференцируема в точке T и справедливы формулы:

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru

Доказательство. При доказательстве ограничимся случаем функции двух переменных. Пусть Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru приращение переменной Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru , а Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru и Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru ‑ приращения функций Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru и Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru - соответственно. Тогда

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Но Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru , поэтому разность, стоящую в пределе для дифференцируемой функции можно записать в виде

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru ,

где учтено, что

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru , то есть Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru - бесконечно малая величина.

Тогда подставляя все это в предел, получим

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Аналогично доказывается формула

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Конец доказательства.

Пример 14.3. Вычислить произвоные:

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Аналогично, найдем что

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Конец примера.

Теорема 14.4. (Инвариатность первого дифференциала). Форма первого дифференциала имеет один и тот же вид независимо от того, являются ли переменные независимыми или нет.

Доказательство. Ограничимся функциями двух переменных. Пусть Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru и Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru зависимые переменные, то есть функции переменных Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru и Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru :

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Тогда

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru

но

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru

Отсюда

Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru ,

то есть тот же вид первого дифференциала, как и в случае независимых переменных Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru и Вопрос 14.1. Дифференциал функции нескольких переменных - student2.ru .

Конец доказательства.

Наши рекомендации