Пустьимеется n+1переменнаяx1,x2,..., xn,y, которыесвязаны междусобой так,что каждомунабору числовыхзначений переменныхx1,x2,..., xnсоответствуетединственноезначение переменнойy. Тогдаговорят,что заданафункция fот nпеременных.Число y,поставленноев соответствиенабору x1,x2,..., xnназываетсязначениемфункции fв точке (x1,x2,..., xn),что записываетсяв виде формулыy = f(x1,x2,...,xn)или y =y(x1,x2,...,xn).
Переменныеx1,x2,..., xnявляются аргументамиэтой функции,а переменнаяy функциейот n переменных.
Далеебудем говоритьлишь о функциидвух переменных.Для функцийбольшего числапеременныхвсе факты,о которых будетидти речь,или аналогичныили сохраняютсябез всякогоизменения.Аргументыфункции двухпеременныхбудем обозначатькак правилоx иy, азначение функцииz.
Будемговорить,что заданафункция двухпеременных,если любой паречисел (x,y)из некоторогомножества Dупорядоченныхпар чисел поставленов соответствиеединственноечисло,которое обозначаетсяf(x,y)и называетсязначениемфункции fв точке (x,y).МножествоDназываетсяобластьюопределенияфункции.
Посколькулюбую паручисел x,yможно рассматриватькак пару координатточки Mна плоскости,вместо z=f(x,y)можно писатьz=f(M).Приэтом аргументамифункции будуткоординатыx,y точкиM.
Числаx,yможно рассматриватькак координатывектора
,исходящегоиз начала координати с концом вточке M(x,y).Тогда функциядвух переменныхбудет функциейвектора,что записываетсяв виде формулыz = f( ),причем аргументамифункции являютсякоординатывектора .Графикфункции двухпеременныхесть множествоточек (x,y,f(x,y)),где (x,y)D.График представляетсобой некоторуюповерхность.Пример такой
поверхностиприводитсяна рисунке 1.
Очевидно,что нельзяввести понятиявозрастанияили убывания(монотонности)функции двухпеременных.Рассмотримграфик некоторойфункции z=f(x,y),изображенныйна рисун-ке 2.Из точки M(x,y)в плоскостиX,Y проведемдва луча l1и l2,определяющихнекоторыенаправления.Можно говорить,что в точке Mфункцияf внаправленииl1возрастает,а в направленииl2убывает. Этоозначает,что для любойточки M1, лежащейна луче l1достаточноблизко к точкеM,выполняетсянеравенствоf(M1) f(M).Для любой точкиM2 ,лежащей на лучеl2достаточноблизко к точкеM,выполняетсянеравенствоf(M2) f(M).Однимиз подходовк исследованиюфункций двухпеременныхявляется изучениеповеденияфункции в точке,то есть определениенаправлений,в которых функцияубывает иливозрастает,и определениескорости возрастанияили убывания.
Можноиспользоватьдругой подход.Пусть имеетсяфункция z = f(x,y)c графиком,представляющимсобой некоторуюповерхность.
Рассмотримсечение графикафункции плоскостьюz=C (этаплоскостьпараллельнаплоскости XOYи пересекаетось Z вточке z=C ).Спроектируемлинию пересеченияэтой плоскостис поверхностьюz = f(x,y)на плоскостьXOY иполучим такназываемуюлинию уровняC функцииz = f(x,y).Линия уровняпредставляетсобой множествовсех точек вплоскости XOY,для которыхвыполняетсяравенствоf(x,y) = C.Придавая различныезначения параметруC, можнополучить множестволиний уровняфункции f(x,y).Если для каждойлинии уровняуказать соответствующееей значениеC, тополучитсятопографическаякарта поверхности,представляющейсобой графикфункции.Вмикроэкономике,в предположениичто потребительприобретаетлишь два видатоваров: Aи B,вводится понятиеобщей полезностиTU, какфункции двухаргументов:Q1и Q2 – количествпотребленныхтоваров Aи B,соответственно:
TU = TU(Q1,Q2).(1)
Очевидно,что все линииуровня функцииTU(Q1,Q2)составляютсемействокривыхбезразличия(Курсэкономическойтеории. Подобщей редакциейпроф. ЧепуринаМ.Н. 1995, стр. 125).
Пустьв плоскостиXOY заданыдве точки: M0(x0,y0)и M1(x1,y1).Расстояниемежду этимиточками рассчитываетсяпо формуле
.(2)Пусть некотороеположительноечисло. -окрестностьюVточки M0(x0,y0)называетсямножество всехточек, координатыx,yкоторых удовлетворяютнеравенствам
.Очевидно,что -окрестностьточки M0(x0,y0)представляетсобой круградиуса с выколотымцентром.
ТочкаM0(x0,y0)называетсяточкойминимумафункции z = f(x,y),если существуеттакое положительноечисло , что из условияM(x,y) V(x0,y0)следует f(x,y) > f(x0,y0).
ТочкаM0(x0,y0)называетсяточкоймаксимумафункции z = f(x,y),если существуеттакое положительноечисло , что из условияM(x,y) V(x0,y0)следует: f(x,y) f(x0,y0).
Точкиминимума имаксимуманазываютсяточкамиэкстремума.
ЧислоAназываетсяпределомфункции z = f(x,y)в точке M0(x0,y0):
,еслидля произвольногочисла > 0найдется такоечисло > 0,что для всехточек M(x,y)из -окрестноститочки M0(x0,y0)выполняетсянеравенство
|f(x,y) - A| .
Функцияz = f(x,y)называетсянепрерывнойв точке M0(x0,y0),если
.Двапоследнихопределенияфактическиповторяютопределенияпредела инепрерывностив точке дляфункции однойпеременной.
Частнойпроизводнойпо xфункции z = f(x,y)в точкеM0(x0,y0)называетсяпредел
,еслиэтот пределсуществует.Обозначаетсяэта частнаяпроизводнаялюбым из следующихсимволов:
; ; .Частнаяпроизводнаяпо xесть обычнаяпроизводнаяот функцииz = f(x,y),рассматриваемойкак функциятолько от переменнойx прификсированномзначении переменнойy.
Совершенноаналогичноможно определитьчастнуюпроизводнуюпо yфункцииz = f(x,y)в точкеM0(x0,y0):
= . ВпространствеXYZусловие y = y0описываетплоскость P,перпендикулярнуюоси OYи пересекающуюэту ось в точкеy0.Плоскость Pпересекаетсяс графикомфункции z = f(x,y),вдоль некоторойлинии L,как показанона рисунке 1.Тангенс угламежду плоскостьюXOY икасательнойк линииL в точкес координатамиx0,y0равен частнойпроизводнойпо xфункции z = f(x,y)в этойточке. В этомсостоит геометрическийсмысл частнойпроизводной.Аналогичноезаключениеможно сделатьотносительночастной производнойпо y.
Приведемпримеры вычислениячастных производных.Как говорилосьвыше, для вычислениячастной производнойпо xфункции z = f(x,y)нужно положитьпеременнуюy равнойконстанте, апри нахождениичастной производнойпо yнужно считатьконстантойпеременнуюx.
Примеры.1.
.2.
Есличастные производныефункции z = f(x,y)существуютна некотороммножестве, аточка, в которойвычисляютсячастные производныенесущественна,то пользуютсяболее короткимиобозначениями:
.Самичастные производныемогут являтьсяфункциями отнесколькихпеременныхна некотороммножестве. Уэтих функцийтоже могутсуществоватьчастные производныепо xи по y.Они называютсявторыми частнымипроизводнымиили частнымипроизводнымивторого порядкаи обозначаютсяzxx, zyy, zxyили
.Согласно определению ; .Последняячастная производнаявторого порядканазываетсясмешанной.Смешаннаячастная производнаявторого порядка,вообще говоря,зависит оттого, в какойпоследовательностиберутся переменные,по которымвычисляетсяпроизводная.Так,производнаяzxy = (zx)yможет не бытьравной zyx = (zy)x.Однако существуеттеорема, утверждающая,что еслисмешанныечастные производныевторого порядканепрерывны,то они не зависятот того, в какойпоследовательностивычислялисьчастные производныепо xи по y.(Рекомендуемчитателю самомуубедиться всправедливостиэтой теоремыдля функций,рассмотренныхв приведенныхвыше примерах1 и 2.)Отметимочень важноеотличие функциидвух переменныхот функцииодной переменной.Из существованияпервых частныхпроизводныхв точке не следуетнепрерывностьфункции в этойточке. Рассмотрим,например, функцию
.Графикэтой функцииво всех точках,не принадлежащихосям координатOX иOY,представляетсобой плоскость,параллельнуюплоскости XOY,поднятую на1. Сами эти осикоординат такжепринадлежатграфику рассматриваемойфункции. Очевидно,что в точке(0,0) функция имеетчастные производныепо обоим аргументам,обе равныенулю. Очевиднотакже, что влюбой окрестноститочки (0,0) можнонайти точкуM такую,что f(M) = 1,в то время какf(0, 0) = 0.Это означаетсуществованиеразрыва функциив точке (0,0). (Примервзят из книгиО.С.Ивашева-Мусатова“Начала математическогоанализа”).
Рассмотримфункцию z = f(x,y),имеющую в точкеР0(х0,у0)частные производныеfx(х0,у0)и fу(х0,у0).Перейдём отточки Р0кточке R0(x0+x,y0+у),придавая переменнымхи ув точке Р0произвольныеприращенияxиу,соответственно.При этом функцияв точке Р0получит приращение
f(х0,у0) =f(x0+x,y0+y) – f(x0,y0) = f(R0) – f(P0).
Еслиприращениефункции f(x,y)можно представитьв виде
f(х0,у0) = fx(х0,у0)x + fу(х0,у0)у + (x;у)x + (x;у)у,(1)
где
,то функцияназываетсядифференцируемойвточке Р0(х0,у0).Сумма первыхдвух слагаемыхв правой частиравенства (1)называетсядифференциаломфункции f(x,y)в точке Р0и обозначаетсяdf(x0,y0):df(x0,y0) = fx(х0,у0)x + fу(х0,у0)у.(2)
Еслиточка, в которойвычисляетсядифференциалне существенна,его принятообозначатьпростоdf.Из определенияследует, чтодифференциалпредставляетсобой главнуючасть приращенияфункции, линейнуюотносительноприращенийеё аргументов.Полагаяпоочерёдноf(x,y) = хиf(x,y) = у,получим, чтодифференциалыdхи dyнезависимыхаргументовфункции хи уравны соответственноx и у .Таким образом
df = fxdх + fуdу.
Раньшеговорилосьо том, что изсуществованиячастных производныхв точке не следуетнепрерывностифункции в этойточке. Однако,из справедливостиравенства (1)следует
,аэто означаетнепрерывностьфункции в точке(х0,у0).Следовательно,дифференцируемаяв точке функцияобязательнонепрерывнав этой точке.
Изсказанногоследует, чтосуществованиеобеих частныхпроизводныхфункции в точкене означает,что функциядифференцируемав этой точке.В курсе математическогоанализа доказываетсятеорема, чтофункциядифференцируемав точке, еслиобе частныепроизводныеэтой функциинепрерывныв этой точке.
Нарисунке 1 графикфункции z = f(x,y)представляетсобой поверхностьF.Длина отрезкаР0Рравна значениюфункции zв точке P0,
ПараллелограммPQ1R1S1лежит в плоскости,которая касаетсяповерхностиFв точке Р. ПрямоугольникPQ2R2S2расположенв горизонтальнойплоскости.Очевидно: Q2Q1 = fy(x0,y0)yи S2S1 = fx(x0,y0)x.
Из легкодоказываемогоравенства
R2R1 = S2S1 + Q2Q1
иформулы (2)следует, чтодифференциалфункции в точкеР0равен R2R1.
Таккак df(x0,y0) f(x0,y0),дифференциалdfдаёт приближенноезначение приращенияфункции прималых значенияхприращенийаргументов.
Пустьв плоскостиXOYрасположенаточка M0(x0,y0).Зададим произвольныйугол и рассмотриммножество точекна той же плоскости,координатыкоторых определяютсяиз формул
x = x0 + t cos,y = y0 + t sin.(1)
Здесьt параметр,который можетбыть равен любому числу.Из формул (1)следует:
(y - y0)/(x - x0) = tg
Этоозначает, чтовсе точки M(x,y),координатыкоторых удовлетворяютравенствам(1), лежат на прямой,проходящейчерез точкуM0(x0,y0)и составляющейугол сосью OX.Каждому значениюtсоответствуетединственнаяточка M(x,y),лежащая на этойпрямой, причемсогласно формуле(1) из §1 расстояниемежду точкамиM0(x0,y0)и M(x,y)равно t.Можно считатьэту прямуючисловой осьюс положительнымнаправлением,определяемымвозрастаниемпараметра t.Обозначимположительноенаправлениеэтой оси символомl.
Производнойфункции z = f(x,y)в точке M0(x0,y0)по направлениюlназываетсячисло
.(2)Производнойфункции понаправлениюможно датьгеометрическуюинтерпретацию.Если черезпрямую l,определяемуюформулами (1),провести вертикальнуюплоскость P(на самом делев трехмерномпространствеуравнения (1)определяютэту самую плоскость),то эта плоскость пересечет поверхность-графикфункции z = f(x,y)вдоль
некоторойпространственнойкривой L.Тангенс угламежду горизонтальнойплоскостьюи касательнойк этой кривойв точке M0(x0,y0)равенпроизводнойфункции в этойточке по направлениюl. Влюбом курсематематическогоанализа доказывается,что производнаяпо направлению,определяемаяформулой (2), можетбыть представленав виде .(3)Заметим,что частнаяпроизводнаяпо xтоже являетсяпроизводнойпо направлению.Это направлениеопределяетсяравенствами:cos = 1;sin = 0.Аналогичночастная производнаяпо y— это производнаяпо направлению,которое можнозадать условиямиcos = 0;sin = 1.
Прежде,чем анализироватьформулу (3), приведемнекоторыепонятия и фактыиз курса векторнойалгебры. Пустьв плоскостис системойкоординат XOYзадан направленныйотрезок
или (что то жесамое) вектор,причем точкаM0(x0,y0)являетсяего начальнойточкой, а M1(x1,y1) конечной точкой.Определимкоординатувектора по осиOXкак число, равноеx1 x0,а координатупо оси ,как число, равноеy1 y0.Если задатьупорядоченнуюпару любыхчисел aи b,то эти числаможно рассматриватькак координатынекотороговектора в плоскостиXOY,причем длинаэтого вектораопределенаформулой ,атангенс угланаклона вектора к осиOXопределяетсяиз формулыtg = b/a(отметим,что зная величинуtg ,а также знаклюбого из чиселaи b,мы можем определитьугол с точностьюдо 2).
Представлениевектора в видепары его координатбудем записыватьв виде
или .Такое представлениеимеет однухарактернуюособенность:оно неопределяетместоположениевектора наплоскостиXOY.Чтобы его определить,нужно нарядус координатамивектора задавать,например, координатыего начальнойточки или, какеё можно назвать,точки приложениявектора.Еслизаданы двавектора:
и ,то скалярнымпроизведением этих векторовназываетсячисло ( угол междувекторами).Влюбом курсевекторнойалгебры доказывается,что скалярноепроизведениевекторов
и равно суммепроизведенийодноименныхкоординат этихвекторов: = a1b1 + a2b2.(4)Пустьв некоторойобласти Gплоскости XOYзаданафункция z = f(x,y),имеющая непрерывныечастные производныепо обоим аргументам.Градиентомили вектором-градиентом
функции f(x,y)в точке (x,y) Gназываетсявектор, которыйзадается формулой .Функцияfопределяетдля каждойточки областиGвектор-градиент,исходящий изэтой точки.
Возвратимсятеперь к формуле(3). Ее правую частьмы можем рассматривать,как скалярноепроизведениевекторов. Первыйиз них вектор-градиентфункции z = f(x,y)вточке M0(x0,y0):
.Второй– вектор
.Это вектор,имеющий длину1 и угол наклонак оси ,равный .Теперьможно сделатьвывод, чтопроизводнаяфункции z = f(x,y)понаправлению,определяемомууглом наклона к осиOX,в точке M0(x0,y0)может бытьвычислена поформуле
.(5)Здесь угол междувектором
и вектором ,задающим направление,по которомуберется производная.Здесь такжеучтено, что .Изформулы (5) можносделать оченьважное заключение:производнаяпо направлениюот функцииz = f(x,y)в точке M0(x0,y0)достигаетнаибольшегозначения, еслиэто направлениесовпадает снаправлениемвектора-градиентафункции врассматриваемойточке,так как cos 1,и равенстводостигаетсятолько если = 0(очевидно, чтодругие решенияуравненияcos = 1 нас в данномслучае неинтересуют).Иначе можносказать, чтовектор-градиентфункции в точкенаправлен всторону наискорейшеговозрастанияфункции в этойточке.
Крометого из формулы(5) следует, чтонаибольшеезначение производнойпо направлениюв точке илинаибольшеезначение скоростивозрастанияфункции в точкеравно длиневектора-градиентафункции в этойточке.
Пример.Требуется найтипроизводнуюфункции
по направлению,составляющемуугол в 60с осью OX,в точке (1;3).Найдемчастные производныефункции:
Теперь можноопределитьградиент функциив точке (1;3): .Принимая вовнимание равенство ,воспользуемсяформулой (4): .ТочкаM0(x0,y0)является точкоймаксимума(минимума)функции z = f(x,y),если найдетсятакая окрестностьточки M0,что для всехточек M(x,y)из этой окрестностивыполняетсянеравенство f(x,y) f(x0,y0)( f(x,y)>f(x0,y0)).
Точкимаксимума иминимума называютсяточкамиэкстремума.
Сформулируемнеобходимоеусловие экстремума.Если в точкеэкстремумасуществуетпервая частнаяпроизводная(по какому-либоаргументу), тоона равна нулю.
Точкиэкстремумадифференцируемойфункции (тоесть функции,имеющей непрерывныечастные производныево всех точкахнекоторойобласти) надоискать толькосреди тех точек,в которых всепервые частныепроизводныеравны нулю.
Там,где выполняетсянеобходимоеусловие, экстремумаможет и не быть(здесь полнаяаналогия сфункцией однойпеременной).
Пример:
z = xy;zx = y;zy = x;zx(0,0) = 0;zy(0,0) = 0.
Обечастные производныев точке (0,0) обращаютсяв 0. Однако точка(0,0) не являетсяточкой экстремума,так как в нейсамой z = 0,а в любой еёокрестностиесть точки, гдеz(x,y) > 0(это точки, лежащиевнутри первогои третьегокоординатныхуглов), и естьточки, где z(x,y)
Дляответа на вопрос,является литочка областиопределенияфункции точкойэкстремума,нужно использоватьдостаточноеусловие экстремума.Ниже приводитсяего формулировка.
Пустьzx(x0,y0) = 0и zy(x0,y0) = 0,а вторые частныепроизводныефункции zнепрерывныв некоторойокрестноститочки (x0,y0).Введем обозначения:A = zxx(x0,y0);B = zxy(x0,y0);C = zyy(x0,y0);D = AC - B2.
Тогда,если D 0,то в точке (x0,y0)экстремуманет.
ЕслиD > 0,то в точке (x0,y0)экстремумфункции z,причем еслиA > 0,то минимум, аесли A 0,то максимум.
ЕслиD = 0,то экстремумможет быть, аможет и не быть.В данном случаетребуютсядополнительныеисследования.
Исследованиефункции двухпеременныхна экстремумсводится кследующему:сначала выписываютсянеобходимыеусловия экстремума:
zx(x,y) = 0;
zy(x,y) = 0
которыерассматриваютсякак системауравнений. Еерешением являетсянекотороемножествоточек. В каждойиз этих точеквычисляютсязначения Dи проверяетсявыполнениедостаточныхусловий экстремума.
Пустьпроводитсяnоднородныхиспытаний илиэкспериментов,и результатомкаждого испытанияявляется парачисел – значенийнекоторыхпеременныхxи y.Испытание сномером iприводит кчислам xi, yi.В качествеиспытанияможно, например,рассматриватьвыбор определенногопредприятияв данной отраслипромышленности,величиной xсчитать объемпроизводствапродукции(например вмиллионахрублей), величинойy– объем экспортаэтого видапродукции (вмиллионахрублей), и обследоватьnпредприятийотрасли.
Итогомэтих испытанийявляется таблица:
.. . | ||||
.. . |
Вкачестве значений
часто рассматриваютсямоменты времени:t1, t2, ..., tn,взятые черезравные промежутки.Тогда таблица.. . | ||||
.. . |
Нас интересуетвопрос, какнайти приближеннуюформулу дляфункции y = f(x),которая “наилучшимобразом” описывалабы данные таблицы.
Пустьточки с координатами(xi,yi)группируютсяна плоскостивдоль некоторойпрямой. Задачазаключаетсяв том, чтобынайти параметрыa0и a1этой прямой:
y = a0 + a1x,(1)
причемэто нужно сделатьтак, чтобы оналучше любойдругой прямойсоответствоваларасположениюна плоскостиэкспериментальныхточек (xi, yi).
Признакомнаилучшейпрямой считаетсяминимум суммыквадратовотклоненийфактическихзначений y,полученныхиз таблицы, отвычисленныхпо формуле (1).Этасумма квадратоврассчитываетсяпо формуле
S2 = (y1 – (a0 + a1x1))2 + (y2 – (a0 + a1x2))2 +...+ (yn – (a0 + a1xn))2 =
.Обратимвнимание нато, что все xiи yi— известныеиз таблицычисла, а S2есть функциядвух переменныхa0и a1.
S2 = S2(a0,a1)
Можнопоказать, чтографик функцииS2выглядит примернотак, как изображенона рисунке.Единственнаяточка, в которойобе частныепроизводные и равны нулю,является точкойминимума.Отсюдаследует, чтоточку минимумаможно искать,используя лишьнеобходимыеусловия экстремума:
,(2) .(3)
Насамом деле дляфунуции S2 = S2(a0,a1)достаточнолегко проверитьвыполнениедостаточныхусловия экстремума,тогда не нужнообращатьсяк графику функции.Проверку выполнениядостаточныхусловий предоставляемчитателю сделатьсамому.
Уравнения(2) и (3) можно преобразовать:
.(4)Получиласьтак называемаясистеманормальныхуравненийотносительнонеизвестныхвеличин a0и a1.
Формула(1) с параметрамиa0,a1определеннымииз системы (4),называетсяуравнениемрегрессии.Прямая линия,описываемаяэтим уравнением,называетсялиниейрегрессии.Для временныхрядов обычновместо слова“регрессия”употребляетсяслово тренд.
Еслиэкспериментальныеточки в плоскости
группируютсявдоль некоторойкривой линии,то можно подобратьвместо формулы(1) другую подходящуюформулу, например,y = a0 + a1x + a2x2или y = a0 exp(a1x)с параметрамисоответственноa0, a1, a2и a0, a1,подставитьее в выражение и искать минимумполучившейсяфункции S2при помощичастных производныхпо параметрам.1. Найтичастные производныепервого порядкаот следующихфункций:
1) | ; | 2) | ; |
3) | ; | 4) | ; |
5) | ; | 6) | ; |