Примеры выполнения контрольной работы по математике Интегрирование методом замены переменной Интегрирование по частям Пример Найти интеграл Вычисление определенных интегралов Функция нескольких переменных
Производная по направлению Функции комплексной переменной Вычисление двойного интеграла Вычисление тройного интеграла в декартовых координатах Векторная функция скалярного аргумента Потенциальные и соленоидальные векторные поля

Производные ФНП высших порядков

Пусть функция z = f (x, y) имеет в точке (x, y) и её окрестности непрерывные частные производные первого порядка  и . Так как  и  являются функциями тех же аргументов x и y, то их можно дифференцировать по x и по y. При этом возможны следующие 4 варианта:

– эти частные производные называются частными производными второго порядка от функции z (x, y).

Частные производные  и  называются смешанными частными производными второго порядка.

Пример. Дана ФНП . Вычислим все её частные производные второго порядка.

Основное свойство смешанных частных производных: если функция z = f (x, y) и её частные производные , ,  и  определены и непрерывны в точке (x, y) и некоторой её окрестности, то в этой точке =, то есть смешанные частные производные при условии их непрерывности не зависят от порядка, в котором производится дифференцирование.

 

Частные производные ФНП, заданной неявно

Если каждой паре чисел (x, y) из некоторой области DxOy соответствует одно или несколько значений z, удовлетворяющих уравнению , то это уравнение неявно определяет функцию 2-х переменных, например, функцию .

Если существуют частные производные функции F(x, y, z):  и , то существуют частные производные от функции z (x, y), которые можно вычислить по формулам:

.  (2)

Пример. Дано: . Найти  и .

Здесь . По формулам (2) находим:

 

Уравнение F(x, y, z) = 0 неявно определяет еще две функции 2-х переменных: x = x(y, z) и y = y(x, z). Частные производные этих функций можно найти по формулам, аналогичным формулам (2), например:

.  (3)

 

Производная сложной ФНП. Полная производная

Пусть функция z= f (x, y, t) – функция трех переменных x, y и t, причем x и y, в свою очередь, являются функциями независимой переменной t, тогда  – это сложная функция одной переменной t, а x и y – промежуточные переменные.

Полной производной по переменной t сложной ФНП  называется её производная , вычисленная как производная функции одной переменной t в предположении, что переменные x и y также являются функциями от t, то есть при x = x(t) и y = y(t).

Полная производная вычисляется по формуле:

. (4)

Здесь  – это полная производная функции z по переменной t при условии, что все другие переменные зависят от t;   – это частная производная функции z по переменной t при условии, что у функции есть другие независимые переменные, кроме t. При нахождении  зависимость переменных x, y от t не учитывается.

В полученный ответ следует подставить функции x = x(t) и y = y(t), чтобы выразить полную производную через независимую переменную t.

 

Экстремумы ФНП

Локальные максимумы и минимумы ФНП

Говорят, что функция z = f (x, y) имеет локальный максимум в точке (x0, y0), если существует окрестность точки (x0, y0), в которой выполнено неравенство f (x0, y0) > f (x, y) для всех точек (x, y) из этой окрестности, отличных от (x0, y0): .

Если же f (x0, y0) < f (x, y) для всех точек (x, y) из некоторой окрестности точки (x0, y0), отличных от (x0, y0), то функция z имеет локальный минимум ФНП в точке (x0, y0): .

Максимум  и минимум   называют локальными экстремумами ФНП.

Необходимое условие экстремума ФНП: если функция z = f (x, y) имеет экстремум в точке (x0, y0), то каждая частная производная первого порядка функции z в точке (x0, y0) либо равна нулю, либо не существует.

Необходимое условие не является достаточным. Точки из ООФ, в которых необходимое условие выполнено, называются критическими точками функции, или точками, подозрительными на экстремум.

Если (x0, y0) – это такая критическая точка, в которой  и , то она называется ещё стационарной точкой функции f (x, y).

 

Нахождение наибольшего и наименьшего значений ФНП в замкнутой области

Область D называется замкнутой областью, если она включает в себя свою границу, и открытой областью, если не включает свою границу.

По свойствам непрерывных функций, непрерывная ФНП z = f (x, y) в замкнутой ограниченной области DxOy достигает своих наибольшего и наименьшего значений zнаиб = М. и zнаим = m, называемых глобальными экстремумами ФНП в области D. Эти значения zнаиб. и zнаим. достигаются или в точках локальных экстремумов функции z = f (x, y) внутри области D или на границе этой области.

Чтобы найти наибольшее и наименьшее значения дифференцируемой ФНП в замкнутой ограниченной области D, нужно:

найти все стационарные точки функции f (x, y), лежащие внутри области D, и вычислить в них значения функции;

найти наибольшее и наименьшее значения функции на границе области;

выбрать среди всех найденных значений наибольшее и наименьшее значения функции в области D.

Поскольку на границе области аргументы x и y связаны между собой уравнением границы, то граничное значение функции f (x, y) является функцией одной переменной, и ее исследование проводят по правилам нахождения наибольшего и наименьшего значений функции одной переменной на замкнутом промежутке.

Если граница области D является кусочно-заданной, то необходимо исследовать граничное значение функции f (x, y) отдельно на каждом участке границы.

Замена переменной в определенном интеграле