background image

AM2 semestr II wykład 5                                                                                                                                     21.03.2012 

 

15 

 
zadanie 
1.Zbadaj ciągłość funkcji 

)

0

,

0

(

)

,

(

0

)

0

,

0

(

)

,

(

2

)

,

(

2

2

2

y

x

dla

y

x

dla

y

x

y

x

y

x

f

 

 
P

OCHODNE CZĄSTKOWE  RZĘDU  PIERWSZEGO

 

 
Niech  

f  będzie funkcją określoną w otoczeniu  U punktu 

)

,

,

,

,

,

,

,

(

0

0

1

0

0

1

0

2

0

1

0

n

i

i

i

x

x

x

x

x

x

x

,  

0

i

x

 będzie przyrostem i-tej zmiennej,

 

 i=1,2,...,n takim,  że punkt 

U

x

x

x

x

x

x

x

x

n

i

i

i

i

)

,

,

,

,

,

,

,

(

0

0

1

0

0

1

0

2

0

1

)

,

(

0

x

x

d

x

i

 jest odległością  punktu  x od x

0

 
Def.
  
Jeżeli istnieje  skończona granica  

i

x

x

x

f

x

f

i

)

(

)

(

lim

0

0

 

to nazywamy ją pochodną cząstkową rzędu pierwszego funkcji f względem zmiennej 

 

x

i

 w punkcie x

0

 

 i 

oznaczamy symbolem

 

)

(

0

x

f

i

x

 lub 

)

(

0

x

x

f

i

Rozpiszmy  definicje  dla 
n=2,  

)

,

(

y

x

f

z

)

,

(

0

0

0

y

x

P

 

0

x

0

y

 

x

y

x

f

y

x

x

f

y

x

f

x

def

x

)

,

(

)

,

(

lim

)

,

(

0

0

0

0

0

0

0

 

y

y

x

f

y

y

x

f

y

x

f

x

def

y

)

,

(

)

,

(

lim

)

,

(

0

0

0

0

0

0

0

 

 
Z podanej definicji  wynika,  że obliczając 

i

x

f

 należy postępować tak, jak przy obliczaniu  pochodnej funkcji 

jednej  zmiennej  x

i

 traktując pozostałe zmienne jak ustalone parametry. 

 

D

EFINICJA 

 

Gradientem funkcji  f w punkcie 

0

 nazywamy w

ektor pochodnych  cząstkowych   

)

(

,

),

(

),

(

)

(

0

0

0

0

2

1

x

f

x

f

x

f

x

gradf

n

x

x

x

 

Dla 

2

n

 

)

,

(

),

,

(

)

,

(

0

0

0

0

0

0

y

x

f

y

x

f

y

x

gradf

y

x

Przykład 

Obliczyć  z definicji  pochodne  cząstkowe  funkcji 

0

0

0

1

)

,

(

xy

dla

xy

dla

y

x

f

 w punkcie 

)

0

,

0

(

Uwaga 
Funkcja  w punkcie 

)

0

,

0

(

 posiada  obie pochodne  cząstkowe 

0

)

0

,

0

(

x

f

0

)

0

,

0

(

y

f

 ale  nie  jest 

ciągła  w tym  punkcie  ponieważ  nie  istnieje  granica  funkcji  w punkcie 

)

0

,

0

(

 

Interpretacja geometryczna pochodnych cząstkowych n=2 

Jeżeli  funkcja 

)

,

(

y

x

f

z

 ma  pochodne  cząstkowe  pierwszego  rzędu  w punkcie 

)

,

(

0

0

0

y

x

P

, to 

tg

y

x

f

x

)

,

(

0

0

background image

AM2 semestr II wykład 5                                                                                                                                     21.03.2012 

 

16 

gdzie 

 jest kątem  jaki  tworzy  styczna  poprowadzona  w punkcie 

)

,

(

,

,

0

0

0

0

y

x

f

y

x

 do krzywej 

otrzymanej  w wyniku  przecięcia  wykresu  funkcji  f płaszczyzną 

0

y

y

 z dodatnim  kierunkiem  osi 

0x,  

tg

y

x

f

y

)

,

(

0

0

 

gdzie 

 jest kątem  jaki  tworzy  styczna  poprowadzona  w  punkcie 

)

,

(

,

,

0

0

0

0

y

x

f

y

x

 do krzywej 

otrzymanej  w wyniku  przekroju  wykresu  funkcji  f płaszczyzną 

0

x

x

 z dodatnim  kierunkiem  osi 

0y

P

OCHODNE CZĄSTKOWE  WYŻSZYCH  RZĘDÓW 

 

 
Ogólnie 

Pochodną cząstkową rzędu pierwszego pochodnej  cząstkowej rzędu n nazywamy pochodną cząstkową rzędu 
n+1. 

 
P

OCHODNE  CZĄSTKOWE RZĘDU  DRUGIEGO

 

Pochodne  cząstkowe  rzędu  pierwszego  pochodnych  cząstkowych 

i

x

f

 i=1,2,...,n  względem  zmiennej

 

j

x

 j=1,2,...,n  nazywamy pochodnymi  cząstkowymi rzędu drugiego  i oznaczamy symbolem 

j

i

j

i

x

x

x

x

f

f

)

(



 lub 





i

j

i

j

x

f

x

x

x

f

2

 przy  czym  dla 

j

i

 piszemy 





i

i

i

x

f

x

x

f

2

2

  

Pochodną 

j

i

x

x

f



 gdy 

j

i

 nazywamy pochodną cząstkową mieszaną rzędu drugiego,  jeśli 

j

i

pochodną 

czystą
 
Dla  

)

,

(

y

x

f

z

 (

2

n

) można obliczać  cztery pochodne cząstkowe rzędu drugiego:  dwie czyste

yy

xx

f

f





,

, i 

dwie mieszane 

yx

xy

f

f





,

. Oznaczenia 

x

x

xx

f

f

)

(



 

 

x

f

x

x

f

2

2

 

y

y

yy

f

f

)

(



 

 





y

f

y

y

f

2

2

 

y

x

xy

f

f

)

(



 

 

x

f

y

x

y

f

2

 

x

y

yx

f

f

)

(



 

 





y

f

x

y

x

f

2

 

x

y

x

f

y

x

x

f

y

x

f

x

x

x

def

xx



)

,

(

)

,

(

lim

)

,

(

0

  

 

y

y

x

f

y

y

x

f

y

x

f

x

x

y

def

xy



)

,

(

)

,

(

lim

)

,

(

0

 

Przykład  

Obliczyć  pochodne cząstkowe rzędu drugiego 

xz

f



zx

f



 dla 

yz

x

ze

z

y

x

f

2

)

,

,

(

 

 

Niech 

n

R

X

 

Def. Funkcja  jest klasy 

)

X

C

n

 jeżeli  ma na zbiorze  X ciągłe pochodne cząstkowe do rzędu n włącznie. 

 
Tw. Schwarza 

Jeżeli funkcja f ma w pewnym zbiorze otwartym ciągłe pochodne cząstkowe mieszane rzędu drugiego 

i

j

j

i

x

x

x

x

f

f





,

 i

j,  to w każdym punkcie tego zbioru  są one równe.  

background image

AM2 semestr II wykład 5                                                                                                                                     21.03.2012 

 

17 

 

O

KREŚLENIE RÓŻNICZKI

,

 WZÓR 

T

AYLORA

 

Rozważmy funkcję f n zmiennych 

R

D

f

:

n

R

D

 

która ma w punkcie 

0

 pochodne cząstkowe rzędu pierwszego. Niech 

)

,

,

(

2

1

n

h

h

h

h

 będzie wektorem z 

n

 takim, że 

D

h

x

0

D

EFINICJA 

 

Wyrażenie   

n

x

x

x

n

i

i

x

h

x

f

h

x

f

h

x

f

h

x

f

n

i

)

(

)

(

)

(

)

(

0

2

0

1

0

1

0

2

1

 

nazywamy  różniczką zupełną funkcji  f w punkcie 

0

x

 i  oznaczamy  symbolem 

)

)(

(

0

h

x

df

 
Dla 

2

n

 różniczkę zupełną funkcji  w punkcie 

)

,

(

0

0

y

x

 zapiszemy   

dy

y

x

f

dx

y

x

f

dy

dx

y

x

df

y

x

)

,

(

)

,

(

)

,

)(

,

(

0

0

0

0

0

0

lub  wprowadzając  oznaczenia 

h

dx

k

dy

  

k

y

x

f

h

y

x

f

k

h

y

x

df

y

x

)

,

(

)

,

(

)

,

)(

,

(

 

Różniczka  jest iloczynem  skalarnym  wektorów   

n

h

h

h

x

gradf

h

x

df

,

,

,

)

(

)

)(

(

2

1

0

0

 

Dla 

2

n

 

)

,

(

)

,

(

)

,

)(

,

(

0

0

0

0

dy

dx

y

x

gradf

dy

dx

y

x

df

Przykład 

Obliczyć  różniczkę  zupełną  funkcji 

2

3

)

,

(

y

x

y

x

f

 w punkcie 

)

1

,

1

(

 

dy

y

x

dx

y

x

df

)

2

(

)

3

(

3

2

2

 

dy

dx

dy

dx

df

2

3

)

,

)(

1

,

1

(

 

 
D

EFINICJA

 

Jeżeli  funkcja  f jest klasy 

)

(D

C

m

, to wyrażenie   

)

(

1

f

d

d

f

d

m

m

 

nazywamy  różniczka zupełną rzędu m funkcji  f . 
 
Druga  różniczka  funkcji  dwóch  zmiennych  (

2

n

) wyraża  się  wzorem 

2

2

'

'

2

2

)

(

dy

f

dxdy

f

dx

f

dy

dy

f

dx

f

dx

dy

f

dx

f

df

d

f

d

yy

xy

xx

f

f

y

y

x

x

y

x

yx

xy











 

zapis  macierzowy 









dy

dx

f

f

f

f

dx

dx

f

d

yy

yx

xy

xx

2

 

Z uwagi  na to że  funkcja  jest klasy 

)

(

2

D

C

 (

yx

xy

f

f





) macierz  drugich  pochodnych  cząstkowych 

jest symetryczna   
Trzecia  różniczka  funkcji  klasy 

)

(

3

D

C

 jest równa 

3

2

2

3

2

3

3

3

)

(

dy

f

dy

dx

f

dy

dx

f

dx

f

f

d

d

f

d

yyy

xyy

xxy

xxx









 

Ze względu  na podobieństwo  prawej  strony  do wzoru  dwumianowego  Newtona  stosujemy  zapis 
symboliczny 

3

3

dy

f

dx

f

f

d

y

x

 

 
Przykład 

Obliczyć  druga  różniczkę  funkcji 

2

3

)

,

(

y

x

y

x

f

background image

AM2 semestr II wykład 5                                                                                                                                     21.03.2012 

 

18 

dy

y

x

dx

y

x

df

)

2

(

)

3

(

3

2

2

 

 

2

3

2

2

2

3

2

2

2

3

2

2

3

2

2

2

2

)

6

(

2

)

6

(

)

2

(

)

6

(

)

6

(

)

6

(

)

2

(

)

3

(

)

2

(

)

3

(

)

(

dy

x

dxdy

y

x

dx

xy

dy

dy

x

dx

y

x

dx

dy

y

x

dx

xy

dy

dy

y

x

dx

y

x

dx

dy

y

x

dx

y

x

df

d

f

d

y

x

 

 
Niech 

n

R

D

R

D

f

,

:

 

 
TW.  (wzór  Taylora  z różniczką  rzędu  m

Jeżeli  funkcja  f jest klasy 

m

C

 w otoczeniu  U punktu 

0

x

, to dla  każdego  punktu 

U

h

x

x

0

 

istnieje  taki  punkt 

)

(

0

0

x

x

t

x

c

)

1

,

0

(

t

, że 

)

)(

(

!

1

)

)(

(

)!

1

(

1

)

)(

(

!

3

1

)

)(

(

!

2

1

)

)(

(

)

(

)

(

0

1

0

3

0

2

0

0

h

c

f

d

m

h

x

f

d

m

h

x

f

d

h

x

f

d

h

x

df

x

f

x

f

m

m

Uwagi:  punkt  c leży  na odcinku  łączącym  punkty 

0

x

x

Wyrażenie   

)

)(

(

)!

1

(

1

)

)(

(

!

3

1

)

)(

(

!

2

1

)

)(

(

)

(

)

(

0

1

0

3

0

2

0

0

1

h

x

f

d

m

h

x

f

d

h

x

f

d

h

x

df

x

f

h

w

m

m

 

jest wielomianem  stopnia 

1

m

 n zmiennych 

)

,

,

,

(

2

1

n

h

h

h

 
Dla

2

n

,

2

m

,

)

1

,

0

(

t

2

2

0

0

0

0

0

0

)

,

(

2

1

)

,

(

)

,

(

2

1

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

dy

y

x

f

dxdy

y

x

f

dx

y

x

f

dy

y

x

f

dx

y

x

f

y

x

f

y

x

f

c

c

yy

c

c

xy

c

c

xx

y

x







 

gdzie 

0

x

x

dx

,

0

y

y

dy

)

,

(

)

,

(

)

,

(

0

0

0

0

y

y

x

x

t

y

x

y

x

c

c

)

1

,

0

(

t

. Punkt 

)

,

(

c

c

y

x

 jest 

punktem  odcinka  o końcach 

)

,

(

y

x

)

,

(

0

0

y

x

 
Przykład   

Napisać  wzór  Taylora  z trzecia  resztą  dla  funkcji 

y

x

x

y

x

f

ln

)

,

(

 w punkcie  (e,1).

 

 
 
Zastosowanie różniczki funkcji do obliczania przybliżonej wartości funkcji 
Jeżeli  funkcja  f ma ciągłe  pochodne  cząstkowe  pierwszego  rzędu  w punkcie 

0

, to

 

df

f

 

)

)(

(

)

(

)

(

0

0

0

h

x

df

x

f

h

x

f

 

 

Dla 

2

n

 

dy

y

x

f

dx

y

x

f

y

x

f

dy

y

dx

x

f

y

x

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

0

0

0

0

0

0

0

0

 

Przykład 
a) Wyznaczyć  różniczkę  zupełną  funkcji 

3

2

)

,

(

y

x

y

x

f

 w punkcie  (1,2). 

b) Obliczyć  przybliżoną  wartość 

3

2

95

,

1

03

,

1