Определение 16.6. Частной производной по х от функции называется
предел отношения частного приращения
к приращению
при стремлении последнего к нулю.
Частная производная по х обозначается одним из символов
,
,
.
Согласно определению
. (16.6)
Определение 16.7. Частной производной по у от функции называется
предел отношения частного приращения
к приращению
при стремлении последнего к нулю.
Частная производная по у обозначается символами
,
,
,
.
Согласно определению
. (16.7)
Из этих определений сразу следует правило, по которому следует вычислять частную производную.
Правило вычисления частной производной. Частная производная вычисляется
от функции
по переменной х в предположении, что
у – постоянная. Частная производная
вычисляется по
переменной у в предположении, что х – постоянная.
При вычислении частных производных работают все приемы вычислений производных сложных функций (вспомним правило цепочки).
Пример
16.4. Вычислить частные производные функции
Решение.
– здесь
играет роль постоянного
множителя,
– в данном случае
числовой множитель, а производную от
вычисляем «по
цепочке».
Пример
16.5. Вычислить частные производные функции .
Решение.
, потому что у равен
постоянной, и мы использовали формулу производной степенной функции
.
, потому что
, и мы используем формулу производной
показательной функции
.
Пример
16.6. Вычислить частные производные функции трех переменных .
Решение.
,
,
.
Механический или кинетический смысл частных производных остается прежним: они характеризуют скорость изменения функции по переменным х и у отдельно. С геометрией чуть сложнее. Для функции одной переменной производная численно равна тангенсу угла наклона касательной к положительному направлению оси OХ.
Для функции двух переменных касательная «переходит» в
касательную плоскость к поверхности, определяемой уравнением . Любая прямая, проходящая через
точку касания, и лежащая в этой плоскости, будет касательной к поверхности.
Выберем из них такую, чтобы ее проекция на плоскость ХОY
была параллельна оси ОХ. В этом случае у будет величиной
постоянной и тангенс угла наклона этой касательной к положительному направлению
оси ОХ будет равен частной производной
.
Если рассмотреть другую касательную, проекция которой на плоскость ХОY
параллельна оси ОY, то в этом случае х будет постоянной. Тангенс
угла наклона этой касательной к положительному направлению оси ОY
будет равен значению частной производной
в данной точке (рис. 16.4).
Рис. 16.4
Для функций, содержащих большее число переменных, геометрическую интерпретацию частных производных дать нельзя.
Возникает вопрос, а не существует ли одной, общей
производной для функции двух или больше аргументов? Нет, не существует. Но
общее изменение функции можно охарактеризовать с помощью полного
дифференциала , как главной части
приращения функции. Для функции одной переменной
дифференциал
равен
. Для функции двух переменных логично
ожидать сумму «частных дифференциалов». Строгое доказательство этого
утверждения можно найти в рекомендуемой литературе. Мы ограничимся определением
и покажем его применение для решения задач.
Определение 16.8 . Пусть функция непрерывна
вместе со своими частными производными по х и у. Полным
дифференциалом
называется сумма
произведений частных производных на дифференциалы соответствующих независимых
переменных, т.е.
. (16.8)
Это выражение является аналогом формулы для дифференциала функции одной переменной. Добавлено новое слагаемое, и простая производная функции по одной переменной х заменена частными производными по х и у. Для функции трех переменных будет тройная сумма.
Напомним, что дифференциал функции приближенно равен
ее приращению: . Поэтому значение функции
в точке
можно определить из приближенного
равенства:
, (16.9)
где dx и dy – приращения аргументов х и у соответственно.
Пример
16.7. Найти полный дифференциал и полное приращение dz
и для функции
, если
,
,
,
.
Решение.Найдем значения
(3 и
.
по таблице логарифмов или при помощи калькуляторов. Определим приращение функции
.
Найдем дифференциалы аргументов:
,
.
Тогда
,
и, окончательно, получаем
.
Сравним приращение и дифференциал
.
Приближенно оценим значение по формуле (16.9):
.
Найдем относительную погрешность вычислений:
,
что говорит о достаточной степени точности проведенных вычислений.
В разных точках функция имеет различные значения частных производных, поэтому дифференциалы будут разными. По ним можно судить о степени возрастания и убывания функции.
Вопрос о существовании единой производной для функции двух переменных не переставал волновать пытливое человечество. Но переменные х и у не могли объединиться, поэтому задачу сформулировали по-другому: если в каждой точке функция меняется по двум и больше аргументам, то в каком направлении ее изменение будет наибольшим?
Направление, как известно, задается вектором. В общем
виде вектор может быть записан так:, где
– координаты вектора в декартовом базисе, |
– модуль вектора,
,
,
–
направляющие косинусы, сумма их квадратов равна единице. Это координаты
единичного направляющего вектора для
вектора
. Его употребляют в вычислениях,
когда важно именно направление, а не длина вектора.
Пусть функция непрерывна
вместе со своими частными производными в некоторой области D
и точке
, принадлежит этой функции. Проведем
из точки М вектор
.
Выражение вида
(16.10)
называется
производной функции в
направлении вектора
.
Она позволяет найти скорость изменения данной функции в
направлении вектора
.
Рассмотрим вектор, координаты которого равны частным
производным функции в некоторой точке
. Этот вектор называется градиентом
функции
в данной точке.
. (16.11)
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.