Funkcje wielu zmiennych III

Uwaga

Z warunku

f (

(

P + h) − f ( P ) − d f h

P

( )

(∗)

k

lim

= 0

h n →0

h n

wynika, e

f ( P + h) = f ( P ) + d f ( h) + ε( h)⋅ h ,

n

P

gdzie

lim ε( h) = 0

h n →0

Twierdzenie (o ró niczce odwzorowania stałego)

Je eli odwzorowanie

n

k

f :

→

jest stałe, to jest ró niczkowalne w ka dym punkcie

n

P ∈

i ró niczka tego odwzorowania jest odwzorowaniem zerowym.

Twierdzenie (o ró niczce odwzorowania liniowego)

Je eli odwzorowanie

n

k

f :

→

jest liniowe, to jest ró niczkowalne w ka dym punkcie

n

P ∈

i ró niczka tego odwzorowania jest tym samym odwzorowaniem.

Twierdzenie (o ró niczce odwzorowania zło onego)

Je eli

n

k

f :

→

jest ró niczkowalne w punkcie

n

P ∈

i

k

p

g :

→

jest

ró niczkowalne w punkcie

k

Q = f ( P )∈

, to zło enie

n

p

g f :

→

jest

ró niczkowalne w punkcie

n

P ∈

oraz d ( g f ) = ( d g ) ( d f )

P

Q

P

Wniosek

Poniewa składaniu odwzorowa liniowych odpowiada mno enie macierzy, to z powy szego twierdzenia wynika, e

( g f )′ ( P ) = g′[ f ( P )]⋅ f ′ ( P )

Twierdzenie (o zwi zku ró niczki odwzorowania z ró niczkami jego składowych) Odwzorowanie

n

k

f :

→

, gdzie f = ( f , f ,. ., f ),

n

f :

→ , j =1 , 2 ,. .,k

1

2

k

j

jest ró niczkowalne w punkcie

n

P ∈

wtedy i tylko wtedy, gdy ró niczkowalne jest ka de

odwzorowanie f , j = 1 , 2 ,. .,k w tym punkcie oraz

j

n

d f ( h ) = ( d f ( h ),d f ( h ),. .,d f ( h )), h ∈

P

P 1

P 2

P k

Twierdzenie (o działaniach arytmetycznych na ró niczkach funkcji wielu zmiennych) Je li

n

f :

→ i

n

g :

→ s ró niczkowalne w punkcie

n

P ∈

, to

(i) d ( f + g ) = d f + d g

P

P

P

(ii) d ( f ⋅ g ) = g( P )⋅ d f + f ( P )⋅ d g

P

P

P

f

g( P )⋅ d f − f ( P )⋅ d g

(iii)

P

P

d

=

, g( P ) ≠ 0

P

g

[ g( P )]2

Twierdzenie (o ró niczkowaniu funkcji zło onej wielu zmiennych) Niech g , g ,. ., g , gdzie

n

g :

→ , j =1 , 2 ,. .,k maj ci głe pochodne cz stkowe 1

2

k

j

w otoczeniu punktu

n

P ∈

. Niech

k

f :

→ ma ci głe pochodne cz stkowe w otoczeniu

punktu ( g ( P ),. ., g ( P )). Niech

n

F :

→ b dzie dane wzorem

1

k

n

F( x ) := f ( g ( x ),. ., g ( x )), x = ( x ,. ., x )∈

.

1

k

1

n

Wtedy

k

∂ F

∂

∂ f

∂

g

∂ j

( P ) =

( g ( P ),. ., g ( P ))⋅

( P ), i = 1 ,. .,n, y = g , j = 1 ,. .,k

1

k

j

j

∂ x

∂

=

= ∂ y

∂

∂ x

∂

i

j 1

j

i

Uwaga (o ró niczce odwzorowania rzutowania)

Niech

n

π :

→ , i = 1 ,. .,n b dzie rzutowaniem na i – t zmienn

i

n

π ( x ,. ., x ) := x , x = ( x ,. ., x )∈

i

1

n

i

1

n

Odwzorowania te s liniowe, wi c ró niczkowalne w ka dym punkcie

n

P ∈

oraz

d π = π , i = 1 ,. .,n .

P i

i

Wprowadzamy nast puj ce oznaczenie:

n

dx := d π = π , P ∈

, i = 1 ,. .,n

i

P i

i

n

dx ( h ,. .,h ) = h , h = ( h ,. .,h )∈

, i = 1 ,. .,n

i

1

n

i

1

n

Twierdzenie (o postaci ró niczki funkcji wielu zmiennych) Niech

n

A ⊂

b dzie zbiorem otwartym. Je eli f : A → jest ró niczkowalne w punkcie

P ∈ A , to

n

f

∂

d f =

( P )⋅ dx

P

i

i

∂

1

=

x

∂ i

Definicja (pochodnej cz stkowej II rz du)

Niech funkcja

n

f : top

∋ A → b dzie ró niczkowalna w P ∈ A. Pochodn cz stkow rz du II funkcji f w punkcie P ∈ A okre la si wzorami:

2

∂ f

∂

∂ f

∂

( P ) :=

( P ) , i = 1 ,. .,n

2

∂ x

∂

∂ x

∂

∂ x

∂

i

i

i

2

∂ f

∂

∂ f

∂

( P ) :=

( P ) , i , j = 1 ,. .,n, i ≠ j - pochodna cz stkowa mieszana

∂ x

∂ ∂ x

∂

∂ x

∂

∂ x

∂

i

j

i

j

Uwaga

Pochodne cz stkowe wy szych rz dów definiuje si analogicznie.

Uwaga (o przestrzeni

n

L(

, ))

Niech

n

f : top

∋ A → ma ró niczk d f w ka dym P ∈ A. Ró niczka jest

P

odwzorowaniem liniowym i ci głym. Istnieje wi c odwzorowanie pochodne:

n

df : A ∋ P → d f ∈ L(

, )

P

n

L(

, ) - przestrze odwzorowa liniowych i ci głych z norm

| H |

:= sup{| H( x )|: | x | = }

n

n

1

L(

, )

Definicja (ró niczki II rz du)

Niech

n

f : top

∋ A → ma ró niczk d f w ka dym P ∈ A. Drug ró niczk

P

odwzorowania f w punkcie P oznacza si symbolem 2

d f oraz

P

2

d f := d ( df ) = d ( d f )

P

P

P

P

Analogicznie definiuje si ró niczki wy szych rz dów.

Uwaga (o ró niczce II rz du)

2

n

n

d f :

→ L(

, ) jest odwzorowaniem liniowym.

P

Zatem 2

n

d f ( h )∈ L(

, ).

P

St d 2

n

d f ( h ) :

→ jest odwzorowaniem liniowym.

P

St d

2

ˆ

( d f ( h ))( h )∈ ,

n

ˆh∈

P

Zatem mo na powiedzie , e

2

n

n

2

ˆ

ˆ

d f :

×

∋ ( h,h ) → d f ( h,h )∈

P

P

jest odwzorowaniem dwuliniowym.

Ponadto mo na pokaza , e jest to odwzorowanie symetryczne, tzn.

n

n

2

2

ˆ

ˆ

ˆ

∀ (

∀ h,h )∈

×

d f ( h,h ) = d f ( h,h )

P

P

Dla skrócenia zapisu u ywa si nast puj cego oznaczenia:

2

2

n

d f ( h ) := d f ( h,h ), h∈

P

P

Twierdzenie (o postaci drugiej ró niczki funkcji wielu zmiennych) Je eli

n

f : top

∋ A → ma drug ró niczk w punkcie P ∈ A, to

n

2

∂

2

f

d f =

( P )dx dx

P

i

j

i , j

∂ ∂

1

=

x x

∂

i

j