Теоретический материал.

Как известно, неявно заданная функция одной переменной определяется так: функция у независимой переменной x называется неявной, если она задана уравнением, не разрешенным относительно y:

Пример 1.11.

Уравнение

неявно задаёт две функции:

А уравнение

не задаёт никакой функции.

Теорема 1.2 (существования неявной функции).

Пусть функция z =f(х,у) и ее частные производные f"x и f"y определены и непрерывны в некоторой окрестности UM0 точки M0(x0y0). Кроме того, f(x0,y0)=0 и f"(x0,y0)≠0, тогда уравнение (1.33) определяет в окрестности UM0 неявную функцию y= y(x), непрерывную и дифференцируемую в некотором интервале D с центром в точке x0, причем y(x0)=y0.

Без доказательства.

Из теоремы 1.2 следует, что на этом интервале D:

то- есть имеет место тождество по

где "полная" производная находится согласно (1.31)

То есть (1.35) дает формулу нахождения производной неявно заданной функции одной переменной x .

Аналогично определяется и неявная функция двух и более переменных.

Например, если в некоторой области V пространства Oxyz выполняется уравнение:

то при некоторых условиях на функцию F оно неявно задаёт функцию

При этом по аналогии с (1.35) ее частные производные находятся так:

Пример 1.12. Считая, что уравнение

неявно задаёт функцию

найти z"x, z"y.

поэтому согласно (1.37) получаем ответ.

11.Использование частных производных в геометрии.

12.Экстремумы функции двух переменных.

Понятие максимума, минимума, экстремума функции двух переменных аналогичны соответствующим понятиям функции одной независимой переменной (см. п. 25.4).

Пусть функция z = ƒ(х;у) определена в некоторой области D, точка N(x0;y0) Î D.

Точка (х0;у0) называется точкой максимума функции z=ƒ(х;у), если существует такая d-окрестность точки (х0;у0), что для каждой точки (х;у), отличной от (хо;уо), из этой окрестности выполняется неравенство ƒ(х;у)<ƒ(хо;уо).

Аналогично определяется точка минимума функции: для всех точек (х; у), отличных от (х0;у0), из d-окрестности точки (хо;уо) выполняется неравенство: ƒ(х;у)>ƒ(х0;у0).

На рисунке 210: N1 - точка максимума, а N2 - точка минимума функции z=ƒ(x;у).

Значение функции в точке максимума (минимума) называется максимумом (минимумом) функции. Максимум и минимум функции называют ее экстремумами.

Отметим, что, в силу определения, точка экстремума функции лежит внутри области определения функции; максимум и минимум имеют локальный (местный) характер: значение функции в точке (х0;у0) сравнивается с ее значениями в точках, достаточно близких к (х0; у0). В области D функция может иметь несколько экстремумов или не иметь ни одного.

46.2. Необходимые и достаточные условия экстремума

Рассмотрим условия существования экстремума функции.

Теорема 46.1 (необходимые условия экстремума). Если в точке N(x0;y0) дифференцируемая функция z=ƒ(х;у) имеет экстремум, то ее частные производные в этой точке равны нулю: ƒ"x(х0;у0)=0, ƒ"y(х0;у0)=0.

Зафиксируем одну из переменных. Положим, например, у=у0. Тогда получим функцию ƒ(х;у0)=φ(х) одной переменной, которая имеет экстремум при х = х0. Следовательно, согласно необходимому условию экстремума функции одной переменной (см. п. 25.4), φ"(х0) = 0, т. е. ƒ"x(х0;y0)=0.

Аналогично можно показать, что ƒ"y(х0;у0) = 0.

Геометрически равенства ƒ"x(х0;у0)=0 и ƒ"y(х0;у0)=0 означают, что в точке экстремума функции z=ƒ(х;у) касательная плоскость к поверхности, изображающей функцию ƒ(х;у), параллельна плоскости Оху, т. к. уравнение касательной плоскости есть z=z0 (см. формулу (45.2)).

Замечание. Функция может иметь экстремум в точках, где хотя бы одна из частных производных не существует. Например, функцияимеет максимум в точке О(0;0) (см. рис. 211), но не имеет в этой точке частных производных.

Точка, в которой частные производные первого порядка функции z ≈ ƒ(х; у) равны нулю, т. е. f"x=0, f"y=0, называется стационарной точкой функ ции z.

Стационарные точки и точки, в которых хотя бы одна частная производная не существует, называются критическими точками.

В критических точках функция может иметь экстремум, а может и не иметь. Равенство нулю частных производных является необходимым, но не достаточным условием существования экстремума. Рассмотрим, например, функцию z = ху. Для нее точка О(0; 0) является критической (в ней z"x=у и z"y - х обращаются в ноль). Однако экстремума в ней функция z=ху не имеет, т. к. в достаточно малой окрестности точки О(0; 0) найдутся точки для которых z>0 (точки I и III четвертей) и z < 0 (точки II и IV четвертей).

Таким образом, для нахождения экстремумов функции в данной области необходимо каждую критическую точку функции подвергнуть дополнительному исследованию.

Теорема 46.2 (достаточное условие экстремума). Пусть в стационарной точке (хо;уо) и некоторой ее окрестности функция ƒ(х;у) имеет непрерывные частные производные до второго порядка включительно. Вычислим в точке (х0;у0) значения A=f""xx(x0;y0), В=ƒ""xy(х0;у0), С=ƒ""уy(х0;у0). Обозначим

1. если Δ > 0, то функция ƒ(х;у) в точке (х0;у0) имеет экстремум: максимум, если А < 0; минимум, если А > 0;

2. если Δ < 0, то функция ƒ(х;у) в точке (х0;у0) экстремума не имеет.

В случае Δ = 0 экстремум в точке (х0;у0) может быть, может не быть. Необходимы дополнительные исследования.

ЗАДАЧИ

1.

Пример. Найти промежутки возрастания и убывания функции . Решение. Первым шагом является нахождение обрасти определения функции . В нашем примере выражение в знаменателе не должно обращаться в ноль, следовательно, . Переходим к производной функции: Для определения промежутков возрастания и убывания функции по достаточному признаку решаем неравенства и на области определения. Воспользуемся обобщением метода интервалов. Единственным действительным корнем числителя является x = 2 , а знаменатель обращается в ноль при x = 0 . Эти точки разбивают область определения на интервалы, в которых производная функции сохраняет знак. Отметим эти точки на числовой прямой. Плюсами и минусами условно обозначим интервалы, на которых производная положительна или отрицательна. Стрелочки снизу схематично показывают возрастание или убывание функции на соответствующем интервале. Таким образом, и . В точке x = 2 функция определена и непрерывна, поэтому ее следует добавить и к промежутку возрастания и к промежутку убывания. В точке x = 0 функция не определена, поэтому эту точку не включаем в искомые интервалы. Приводим график функции для сопоставления с ним полученных результатов. Ответ: функция возрастает при , убывает на интервале (0; 2] .

2.

Примеры .

Установить интервалы выпуклости и вогнутости кривой y = 2 – x 2 .

Найдем y "" и определим, где вторая производная положительна и где отрицательна. y " = –2x , y "" = –2 < 0 на (–∞; +∞), следовательно, функция всюду выпукла.

y = e x . Так как y "" = e x > 0 при любых x , то кривая всюду вогнута.

y = x 3 . Так как y "" = 6x , то y "" < 0 при x < 0 и y "" > 0 при x > 0. Следовательно, при x < 0 кривая выпукла, а при x > 0 вогнута.

3.

4. Дана функция z=x^2-y^2+5x+4y, вектор l=3i-4j и точка А(3,2). Найти dz/dl (я так понял производная функции по направлению вектора), gradz(A), |gradz(A)|. Найдем частные производные: z(по х)=2x+5 z(по y)=-2y+4 Найдем значения производных в точке А(3,2): z(по х)(3,2)=2*3+5=11 z(по y)(3,2)=-2*2+4=0 Откуда, gradz(A)=(11,0)=11i |gradz(A)|=sqrt(11^2+0^2)=11 Производная функции z по направлению вектора l: dz/dl=z(по х)*cosa+z(по у)*cosb, a,b-углы вектора l с осями координат. cosa=lх/|l|, cosb=ly/|l|, |l|=sqrt(lx^2+ly^2) lx=3, ly=-4, |l|=5. cosa=3/5, cosb=(-4)/5. dz/dl=11*3/5+0*(-4)/5=6,6.

Пусть функция задана неявным образом с помощью уравнения
(1) .
И пусть это уравнение, при некотором значении , имеет единственное решение . Пусть функция является дифференцируемой функцией в точке , причем
.
Тогда, при этом значении , существует производная , которая определяется по формуле:
(2) .

Доказательство

Для доказательства рассмотрим функцию как сложную функцию от переменной :
.
Применим правило дифференцирования сложной функции и найдем производную по переменной от левой и правой частей уравнения
(3) :
.
Поскольку производная от постоянной равна нулю и , то
(4) ;
.

Формула доказана.

Производные высших порядков

Перепишем уравнение (4), используя другие обозначения:
(4) .
При этом и являются сложными функциями от переменной :
;
.
Зависимость определяет уравнение (1):
(1) .

Находим производную по переменной от левой и правой части уравнения (4).
По формуле производной сложной функции имеем:
;
.
По формуле производной произведения :

.
По формуле производной суммы :


.

Поскольку производная правой части уравнения (4) равна нулю, то
(5) .
Подставив сюда производную , получим значение производной второго порядка в неявном виде.

Дифференцируя, аналогичным образом, уравнение (5), мы получим уравнение, содержащее производную третьего порядка :
.
Подставив сюда найденные значения производных первого и второго порядков, найдем значение производной третьего порядка.

Продолжая дифференцирование, можно найти производную любого порядка.

Примеры

Пример 1

Найдите производную первого порядка от функции, заданной неявно уравнением:
(П1) .

Решение по формуле 2

Находим производную по формуле (2):
(2) .

Перенесем все переменные в левую часть, чтобы уравнение приняло вид .
.
Отсюда .

Находим производную по , считая постоянной.
;
;
;
.

Находим производную по переменной , считая переменную постоянной.
;
;
;
.

По формуле (2) находим:
.

Мы можем упростить результат если заметим, что согласно исходному уравнению (П.1), . Подставим :
.
Умножим числитель и знаменатель на :
.

Решение вторым способом

Решим этот пример вторым способом. Для этого найдем производную по переменной левой и правой частей исходного уравнения (П1).

Применяем :
.
Применяем формулу производной дроби :
;
.
Применяем формулу производной сложной функции :
.
Дифференцируем исходное уравнение (П1).
(П1) ;
;
.
Умножаем на и группируем члены.
;
.

Подставим (из уравнения (П1)):
.
Умножим на :
.

Ответ

Пример 2

Найти производную второго порядка от функции , заданной неявно с помощью уравнения:
(П2.1) .

Решение

Дифференцируем исходное уравнение, по переменной , считая что является функцией от :
;
.
Применяем формулу производной сложной функции.
.

Дифференцируем исходное уравнение (П2.1):
;
.
Из исходного уравнения (П2.1) следует, что . Подставим :
.
Раскрываем скобки и группируем члены:
;
(П2.2) .
Находим производную первого порядка:
(П2.3) .

Чтобы найти производную второго порядка, дифференцируем уравнение (П2.2).
;
;
;
.
Подставим выражение производной первого порядка (П2.3):
.
Умножим на :

;
.
Отсюда находим производную второго порядка.

Ответ

Пример 3

Найти производную третьего порядка при от функции , заданной неявно с помощью уравнения:
(П3.1) .

Решение

Дифференцируем исходное уравнение по переменной считая, что является функцией от .
;
;
;
;
;
;
(П3.2) ;

Дифференцируем уравнение (П3.2) по переменной .
;
;
;
;
;
(П3.3) .

Дифференцируем уравнение (П3.3).
;
;
;
;
;
(П3.4) .

Из уравнений (П3.2), (П3.3) и (П3.4) находим значения производных при .
;
;
.

Будем учиться находить производные функций, заданных неявно, то есть заданных некоторыми уравнениями, связывающими между собой переменные x и y . Примеры функций, заданных неявно:

,

,

Производные функций, заданных неявно, или производные неявных функций, находятся довольно просто. Сейчас же разберём соответствующее правило и пример, а затем выясним, для чего вообще это нужно.

Для того, чтобы найти производную функции, заданной неявно, нужно продифференцировать обе части уравнения по иксу. Те слагаемые, в которых присутствует только икс, обратятся в обычную производную функции от икса. А слагаемые с игреком нужно дифференцировать, пользуясь правилом дифференцирования сложной функции, так как игрек - это функция от икса. Если совсем просто, то в полученной производной слагаемого с иксом должно получиться: производная функции от игрека, умноженная на производную от игрека. Например, производная слагаемого запишется как , производная слагаемого запишется как . Далее из всего этого нужно выразить этот "игрек штрих" и будет получена искомая производная функции, заданной неявно. Разберём это на примере.

Пример 1.

Решение. Дифференцируем обе части уравнения по иксу, считая, что игрек - функция от икса:

Отсюда получаем производную, которая требуется в задании:

Теперь кое-что о неоднозначном свойстве функций, заданных неявно, и почему нужны особенные правила их дифференцирования. В части случаев можно убедиться, что подстановка в заданное уравнение (см. примеры выше) вместо игрека его выражения через икс приводит к тому, что это уравнение обращается в тождество. Так. приведённое выше уравнение неявно определяет следующие функции:

После подстановки выражения игрека в квадрате через икс в первоначальное уравнение получаем тождество:

.

Выражения, которые мы подставляли, получились путём решения уравнения относительно игрека.

Если бы мы стали дифференцировать соответствующую явную функцию

то получили бы ответ как в примере 1 - от функции, заданной неявно:

Но не всякую функцию, заданную неявно, можно представить в виде y = f (x ) . Так, например, заданные неявно функции

не выражаются через элементарные функции, то есть эти уравнения нельзя разрешить относительно игрека. Поэтому и существует правило дифференцирования функции, заданной неявно, которое мы уже изучили и далее будем последовательно применять в других примерах.

Пример 2. Найти производную функции, заданной неявно:

.

Выражаем игрек штрих и - на выходе - производная функции, заданной неявно:

Пример 3. Найти производную функции, заданной неявно:

.

Решение. Дифференцируем обе части уравнения по иксу:

.

Пример 4. Найти производную функции, заданной неявно:

.

Решение. Дифференцируем обе части уравнения по иксу:

.

Выражаем и получаем производную:

.

Пример 5. Найти производную функции, заданной неявно:

Решение. Переносим слагаемые в правой части уравнение в левую часть и справа оставляем ноль. Дифференцируем обе части уравнения по иксу.

Дана система уравнений

или кратко F (x , y )=0 (1)

Определение. Система (1) определяет неявно заданную функцию y = f (x ) на D  R n

,

если  x  D : F (x , f (x )) = 0.

Теорема (существование и единственность отображения, неявно заданного системой уравнений). Пусть

Тогда в некоторой окрестности U (x 0 ) существует единственная функция (отображение), определенная в этой окрестности y = f (x ), такая, что

 x  U (x 0 ) : F (x , f (x ))=0 и y 0 = f (x 0 ).

Эта функция непрерывно дифференцируема в некоторой окрестности точки x 0 .

5.Вычисление производных неявных функций, заданных системой уравнений

Дана система

(1)

Будем предполагать, что выполнены условия теоремы существования и единственности неявной функции, заданной этой системой уравнений. Обозначим эту функцию y = f (x ) . Тогда в некоторой окрестности точки x 0 справедливы тождества

(F(x, f(x))=0) (2)

Дифференцируя эти тождества по x j получим

=0 (3)

Эти равенства можно записать в матричном виде

, (3)

или в развернутом виде

.

Отметим, что переход от равенства F (x , f (x ))=0 к
, соответствует правилам дифференцирования для случая, когда x и y являются точками одномерного пространства. Матрица по условию не вырождена, поэтому матричное уравнение
имеет решение
. Таким образом можно найти частные производные первого порядка неявных функций. Для нахождения дифференциалов обозначим

dy = ,dx = , дифференцируя равенства(2) получим

=0 ,

или в матричном виде

. (4)

В развернутом виде

.

Также как и в случае частных производных, формула (4) имеем такой же вид, как и для случая одномерных пространств n =1, p =1. Решение этого матричного уравнения запишется в виде
. Для нахождения частных производных второго порядка нужно будет дифференцировать тождества(3) (для вычисления дифференциалов второго порядка дифференцировать нужно тождества (4) ). Таким образом, получим

,

где через A обозначены слагаемые, не содержащие искомые
.

Матрицей коэффициентов этой системы для определения производных
служит матрица Якоби.

Аналогичную формулу можно получить для дифференциалов. В каждом из этих случаев будет получаться матричное уравнение с той же матрицей коэффициентов в системе уравнений для определения искомых производных или дифференциалов. То же самое будет происходить и при следующих дифференцированиях.

Пример 1. Найти ,,в точкеu =1, v =1.

Решение. Дифференцируем заданные равенства

(5)

Отметим, что по постановке задачи, независимыми переменными мы должны считать x , y . Тогда функциями будут z , u , v . Таким образом, систему (5) следует решать относительно неизвестных du , dv , dz . В матричном виде это выглядит следующим образом

.

Решим эту систему, используя правило Крамера. Определитель матрицы коэффициентов

, Третий «замещенный» определитель для dz будет равен (его вычисляем разложением по последнему столбцу)

, тогда

dz =
, и
,
.

Дифференцируем (5) еще раз (x , y – независимые переменные)

Матрица коэффициентов системы та же самая, третий определитель

Решая эту систему, получим выражение для d 2 z откуда можно будет найти нужную производную.

Неявные функции, заданные системой уравнений

Дана система уравнений

или кратко F (x,y )= 0. (6.7)

Определение. Система (6.7) определяет неявно заданную функцию y=f (x ) на DÌR n

если " xÎD : F (x , f (x )) = 0.

Теорема (существование и единственность отображения, неявно заданного системой уравнений). Пусть

1) F i (x,y ) из (6.4) определены и имеют непрерывные частные производные первого порядка, (i= 1,…,p, k= 1,…,n, j= 1,…,p) в окрестности U (M 0) точки M 0 (x 0 ,y 0), x 0 = , y 0 =

2) F (M 0)=0,

3) det .

Тогда в некоторой окрестности U (x 0) существует единственная функция (отображение), определенная в этой окрестности y = f (x ), такая, что

" xÎ U (x 0) : F (x, f (x ))=0 и y 0 = f (x 0).

Эта функция непрерывно дифференцируема в некоторой окрестности точки x 0 .

Дана система

Будем предполагать, что выполнены условия теоремы существования и единственности неявной функции, заданной этой системой уравнений. Обозначим эту функцию y=f (x ) . Тогда в некоторой окрестности точки x 0 справедливы тождества

Дифференцируя эти тождества по x j получим

= 0.(6.9)

Эти равенства можно записать в матричном виде

или в развернутом виде

Отметим, что переход от равенства F (x, f (x ))=0к , соответствует правилам дифференцирования для случая, когда x и y являются точками одномерного пространства. Матрица по условию не вырождена, поэтому матричное уравнение имеет решение. Таким образом, можно найти частные производные первого порядка неявных функций. Для нахождения дифференциалов обозначим

dy = , dx = , дифференцируя равенства (6.8),получим

или в матричном виде

В развернутом виде

Так же как и в случае частных производных, формула (6.10) имеем такой же вид, как и для случая одномерных пространств n= 1, p= 1. Решение этого матричного уравнения запишется в виде. Для нахождения частных производных второго порядка нужно будет дифференцировать тождества (6.9)(для вычисления дифференциалов второго порядка дифференцировать нужно тождества (6.10)). Таким образом, получим

где через A обозначены слагаемые, не содержащие искомые.

Матрицей коэффициентов этой системы для определения производных служит матрица Якоби.

Аналогичную формулу можно получить для дифференциалов. В каждом из этих случаев будет получаться матричное уравнение с той же матрицей коэффициентов в системе уравнений для определения искомых производных или дифференциалов. То же самое будет происходить и при следующих дифференцированиях.

Пример 1. Найти, в точке u= 1,v= 1.

Решение. Дифференцируем заданные равенства

Отметим, что из условия задачи следует, что независимыми переменными мы должны считать x, y. Тогда функциями будут z, u, v. Таким образом, систему (6.11)следует решать относительно неизвестных du, dv, dz . В матричном виде это выглядит следующим образом

Решим эту систему, используя правило Крамера. Определитель матрицы коэффициентов

Третий «замещенный» определитель для dz будет равен (его вычисляем разложением по последнему столбцу)

dz = , и, .

Дифференцируем (6.11)еще раз (x, y – независимые переменные)

Матрица коэффициентов системы та же самая, третий определитель

Решая эту систему, получим выражение для d 2 z откуда можно будет найти нужную производную.

6.3. Дифференцируемые отображения

Производные отображения. Регулярные отображения. Необходимые и достаточные условия функциональной зависимости.