Смекни!
smekni.com

Сборник Лекций 2 по Мат.Анализу

Глава3. Функциянесколькихпеременных

§1. Основныепонятия

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 функцииz.

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,y0M1(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.

§2. Частныепроизводные

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, zxyили

.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”).


84


§3.Дифференциалфункции двухпеременных

Рассмотримфункцию z = f(x,y),имеющую в точкеР0(х0,у0)частные производныеfx(х0,у0fу(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, чтодифференциалыи dyнезависимыхаргументовфункции хи уравны соответственноx и у .Таким образом

df = fx + fу.

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,



тоесть Р0Р = f(x0,y0)(на рисунке длянаглядностиповерхностьFвыбранатак, что всерассматриваемыезначения функциии приращенияв точке P0положительны,но это не ограничиваетсправедливостиприведенныхвыше выводови формул в общемслучае). Координатамиточек Q0,S0и R0являются парычисел соответственно(x0,y0+у);(x0+x,y0)и (x0+x,y0+у),причём Q0Q = f(Q0),S0S = f(S0R0R = f(R0).Приращениеf(х0,у0) функциив точке Р0равно RR2.

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,y0f(x0,y0),дифференциалdfдаёт приближенноезначение приращенияфункции прималых значенияхприращенийаргументов.


88


§4.Производнаяпо направлению.

Пустьв плоскостиXOYрасположенаточка M0(x0,y0).Зададим произвольныйугол и рассмотриммножество точекна той же плоскости,координатыкоторых определяютсяиз формул

x = x0 + cos,y = y0 + 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,y0M(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):

.

92


§5.Экстремумфункции двухпеременных.

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 0,то в точке (x0,y0)экстремуманет.

ЕслиD > 0,то в точке (x0,y0)экстремумфункции z,причем еслиA > 0,то минимум, аесли 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.

§6.Метод наименьшихквадратов

Пустьпроводитсяnоднородныхиспытаний илиэкспериментов,и результатомкаждого испытанияявляется парачисел – значенийнекоторыхпеременныхxи y.Испытание сномером iприводит кчислам xiyi.В качествеиспытанияможно, например,рассматриватьвыбор определенногопредприятияв данной отраслипромышленности,величиной xсчитать объемпроизводствапродукции(например вмиллионахрублей), величинойy– объем экспортаэтого видапродукции (вмиллионахрублей), и обследоватьnпредприятийотрасли.

Итогомэтих испытанийявляется таблица:

.. .

.. .

гдекаждому числуxi(величину
рассматриваемкак независимыйпоказательили фактор)поставленов соответствиечисло
(величину
рассматриваемкак зависимыйпоказатель–результат).

Вкачестве значений

часто рассматриваютсямоменты времени:t1t2, ..., tn,взятые черезравные промежутки.Тогда таблица

.. .

.. .

называетсявременнымрядом.

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 (xiyi).

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 + a1a2x2или y = aexp(a1x)с параметрамисоответственноa0a1a2и a0a1,подставитьее в выражение
и искать минимумполучившейсяфункции S2при помощичастных производныхпо параметрам.

Упражнения

1. Найтичастные производныепервого порядкаот следующихфункций:

1)

;
2)

;
3)

;
4)

;
5)

;
6)

;