Să fie dată o funcție a două variabile. Să dăm argumentului un increment și să lăsăm argumentul neschimbat. Apoi funcția va primi un increment, care se numește increment parțial cu variabilă și se notează:
În mod similar, fixând argumentul și dând un increment argumentului, obținem o creștere parțială a funcției după variabilă:
Mărimea se numește increment total al funcției într-un punct.
Definiție 4. Derivata parțială a unei funcții a două variabile față de una dintre aceste variabile este limita raportului dintre incrementul parțial corespunzător al funcției și incrementul unei variabile date atunci când aceasta din urmă tinde spre zero (dacă această limită există). Derivata parțială se notează după cum urmează: sau, sau.
Astfel, prin definiție avem:
Derivatele parțiale ale funcțiilor se calculează după aceleași reguli și formule în funcție de o variabilă, ținând cont de faptul că la diferențierea față de o variabilă, aceasta este considerată constantă, iar la diferențierea față de o variabilă, este considerată constantă. .
Exemplul 3. Găsiți derivate parțiale ale funcțiilor:
Soluţie. a) Pentru a găsi, o considerăm o valoare constantă și o diferențiem în funcție de o variabilă:
În mod similar, presupunând o valoare constantă, găsim:
Definiţie 5. Diferenţialul total al unei funcţii este suma produselor derivatelor parţiale ale acestei funcţii şi a incrementelor variabilelor independente corespunzătoare, i.e.
Având în vedere că diferențele variabilelor independente coincid cu incrementele acestora, i.e. , formula diferenţială totală poate fi scrisă ca
Exemplul 4. Găsiți diferenţial complet funcții.
Soluţie. Deoarece, folosind formula diferenţială totală găsim
Derivate parțiale de ordin superior
Derivatele parțiale sunt numite derivate parțiale de ordinul întâi sau derivate parțiale primare.
Definiție 6. Derivatele parțiale de ordinul doi ale unei funcții sunt derivatele parțiale ale derivatelor parțiale de ordinul întâi.
Există patru derivate parțiale de ordinul doi. Acestea sunt desemnate după cum urmează:
Derivatele parțiale ale ordinului 3, 4 și superior sunt definite în mod similar. De exemplu, pentru o funcție avem:
Derivatele parțiale de ordinul doi sau mai mari, luate în raport cu diferite variabile, se numesc derivate parțiale mixte. Pentru o funcție, acestea sunt derivate. Rețineți că în cazul în care derivatele mixte sunt continue, atunci egalitatea este valabilă.
Exemplul 5. Găsiți derivate parțiale de ordinul doi ale unei funcții
Soluţie. Derivatele parțiale de ordinul întâi pentru această funcție se găsesc în Exemplul 3:
Diferențiând față de variabilele x și y, obținem
Luați în considerare o funcție a două variabile:
Deoarece variabilele $x$ și $y$ sunt independente, pentru o astfel de funcție putem introduce conceptul de derivată parțială:
Derivata parțială a funcției $f$ în punctul $M=\left(((x)_(0));((y)_(0)) \right)$ în raport cu variabila $x$ este limita
\[(((f)")_(x))=\underset(\Delta x\to 0)(\mathop(\lim ))\,\frac(f\left(((x)_(0) )+\Delta x;((y)_(0)) \right))(\Delta x)\]
În mod similar, puteți defini derivata parțială în raport cu variabila $y$ :
\[(((f)")_(y))=\underset(\Delta y\to 0)(\mathop(\lim ))\,\frac(f\left(((x)_(0) );((y)_(0))+\Delta y \right))(\Delta y)\]
Cu alte cuvinte, pentru a găsi derivata parțială a unei funcții de mai multe variabile, trebuie să fixați toate celelalte variabile, cu excepția celei dorite, și apoi să găsiți derivata obișnuită în raport cu această variabilă dorită.
Acest lucru duce la tehnica principală de calcul a unor astfel de derivate: pur și simplu presupuneți că toate variabilele, cu excepția acesteia, sunt o constantă, apoi diferențiați funcția așa cum ați diferenția una „obișnuită” - cu o variabilă. De exemplu:
$\begin(align)& ((\left(((x)^(2))+10xy \right))_(x))^(\prime )=((\left(((x)^(2) )) \right))^(\prime ))_(x)+10y\cdot ((\left(x \right))^(\prime ))_(x)=2x+10y, \\& (( \left(((x)^(2))+10xy \right))_(y))^(\prime )=((\left(((x)^(2)) \right))^(\ prim ))_(y)+10x\cdot ((\left(y \right))^(\prime ))_(y)=0+10x=10x. \\\end(align)$
Evident, derivatele parțiale cu privire la diferite variabile dau răspunsuri diferite - acest lucru este normal. Este mult mai important să înțelegem de ce, să zicem, în primul caz am eliminat cu calm $10y$ de sub semnul derivatului, iar în al doilea caz am eliminat complet primul termen. Toate acestea se întâmplă din cauza faptului că toate literele, cu excepția variabilei prin care se realizează diferențierea, sunt considerate constante: pot fi scoase, „arse”, etc.
Ce este „derivată parțială”?
Astăzi vom vorbi despre funcțiile mai multor variabile și derivatele parțiale ale acestora. În primul rând, ce este o funcție a mai multor variabile? Până acum, suntem obișnuiți să considerăm o funcție ca $y\left(x\right)$ sau $t\left(x \right)$, sau orice variabilă și o singură funcție a acesteia. Acum vom avea o singură funcție, dar mai multe variabile. Pe măsură ce $y$ și $x$ se schimbă, valoarea funcției se va schimba. De exemplu, dacă $x$ se dublează, valoarea funcției se va modifica, iar dacă $x$ se modifică, dar $y$ nu se modifică, valoarea funcției se va schimba în același mod.
Desigur, o funcție a mai multor variabile, la fel ca o funcție a unei variabile, poate fi diferențiată. Cu toate acestea, deoarece există mai multe variabile, este posibil să se diferențieze în funcție de diferite variabile. În acest caz, apar reguli specifice care nu au existat la diferențierea unei variabile.
În primul rând, atunci când calculăm derivata unei funcții din orice variabilă, ni se cere să indicăm pentru ce variabilă calculăm derivata - aceasta se numește derivată parțială. De exemplu, avem o funcție a două variabile și o putem calcula atât în $x$ cât și în $y$ - două derivate parțiale pentru fiecare dintre variabile.
În al doilea rând, de îndată ce am fixat una dintre variabile și începem să calculăm derivata parțială în raport cu aceasta, atunci toate celelalte incluse în această funcție sunt considerate constante. De exemplu, în $z\left(xy \right)$, dacă luăm în considerare derivata parțială față de $x$, atunci oriunde întâlnim $y$, o considerăm constantă și o tratăm ca atare. În special, la calcularea derivatei unui produs, putem scoate $y$ din paranteze (avem o constantă), iar la calcularea derivatei unei sume, dacă undeva obținem o derivată a unei expresii care conține $y$ și neconținând $x$, atunci derivata acestei expresii va fi egală cu „zero” ca derivată a unei constante.
La prima vedere, poate părea că vorbesc despre ceva complicat, iar mulți studenți sunt confuzi la început. Cu toate acestea, nu există nimic supranatural în derivatele parțiale și acum vom vedea acest lucru folosind exemplul unor probleme specifice.
Probleme cu radicali și polinoame
Sarcina nr. 1
Pentru a nu pierde timpul, să începem de la bun început cu exemple serioase.
Pentru început, permiteți-mi să vă reamintesc această formulă:
Aceasta este valoarea tabelului standard pe care o cunoaștem din cursul standard.
În acest caz, derivata $z$ se calculează după cum urmează:
\[(((z)")_(x))=((\left(\sqrt(\frac(y)(x)) \right))^(\prime ))_(x)=\frac( 1)(2\sqrt(\frac(y)(x)))((\left(\frac(y)(x) \right))^(\prime ))_(x)\]
Să o facem din nou, deoarece rădăcina nu este $x$, ci o altă expresie, în acest caz $\frac(y)(x)$, atunci vom folosi mai întâi valoarea tabelului standard și apoi, deoarece rădăcina este nu $x $ și o altă expresie, trebuie să ne înmulțim derivata cu alta a acestei expresii în raport cu aceeași variabilă. Să calculăm mai întâi următoarele:
\[((\left(\frac(y)(x) \right))^(\prime ))_(x)=\frac(((((y)"))_(x))\cdot x-y \cdot ((((x)"))_(x)))(((x)^(2)))=\frac(0\cdot x-y\cdot 1)(((x)^(2)) )=-\frac(y)(((x)^(2)))\]
Ne întoarcem la expresia noastră și scriem:
\[(((z)")_(x))=((\left(\sqrt(\frac(y)(x)) \right))^(\prime ))_(x)=\frac( 1)(2\sqrt(\frac(y)(x)))((\left(\frac(y)(x) \right))^(\prime ))_(x)=\frac(1) (2\sqrt(\frac(y)(x)))\cdot \left(-\frac(y)(((x)^(2))) \right)\]
Practic, asta-i tot. Cu toate acestea, este greșit să o lăsați în această formă: o astfel de construcție este incomod de utilizat pentru calcule ulterioare, așa că să o transformăm puțin:
\[\frac(1)(2\sqrt(\frac(y)(x)))\cdot \left(-\frac(y)(((x)^(2))) \right)=\frac (1)(2)\cdot \sqrt(\frac(x)(y))\cdot \frac(y)(((x)^(2)))=\]
\[=-\frac(1)(2)\cdot \sqrt(\frac(x)(y))\cdot \sqrt(\frac(((y)^(2)))(((x)^ (4))))=-\frac(1)(2)\sqrt(\frac(x\cdot ((y)^(2)))(y\cdot ((x)^(4)))) =-\frac(1)(2)\sqrt(\frac(y)(((x)^(3))))\]
Răspunsul a fost găsit. Acum să ne ocupăm de $y$:
\[(((z)")_(y))=((\left(\sqrt(\frac(y)(x)) \right))^(\prime ))_(y)=\frac( 1)(2\sqrt(\frac(y)(x)))\cdot ((\left(\frac(y)(x) \right))^(\prime ))_(y)\]
Să o notăm separat:
\[((\left(\frac(y)(x) \right)))^(\prime ))_(y)=\frac(((((y)"))_(y))\cdot x-y \cdot (((((x)"))_(y)))(((x)^(2)))=\frac(1\cdot x-y\cdot 0)(((x)^(2)) )=\frac(1)(x)\]
Acum scriem:
\[(((z)")_(y))=((\left(\sqrt(\frac(y)(x)) \right))^(\prime ))_(y)=\frac( 1)(2\sqrt(\frac(y)(x)))\cdot ((\left(\frac(y)(x) \right))^(\prime ))_(y)=\frac( 1)(2\sqrt(\frac(y)(x)))\cdot \frac(1)(x)=\]
\[=\frac(1)(2)\cdot \sqrt(\frac(x)(y))\cdot \sqrt(\frac(1)(((x)^(2))))=\frac (1)(2)\sqrt(\frac(x)(y\cdot ((x)^(2))))=\frac(1)(2\sqrt(xy))\]
Totul este făcut.
Problema nr. 2
Acest exemplu este atât mai simplu, cât și mai complex decât cel precedent. Este mai complicat pentru că există mai multe acțiuni, dar este mai simplu pentru că nu există rădăcină și, în plus, funcția este simetrică față de $x$ și $y$, adică. dacă schimbăm $x$ și $y$, formula nu se va schimba. Această remarcă va simplifica și mai mult calculul derivatei parțiale, adică. este suficient să numărați unul dintre ele, iar în al doilea pur și simplu schimbați $x$ și $y$.
Să trecem la treabă:
\[(((z)")_(x))=((\left(\frac(xy)(((x)^(2))+((y)^(2))+1) \right ))^(\prime ))_(x)=\frac(((\left(xy \right))^(\prime ))_(x)\left(((x)^(2))+( (y)^(2))+1 \right)-xy((\left(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \right))^(\prime ) )_(x))(((\left(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \right))^(2)))\]
Să numărăm:
\[((\left(xy \right))^(\prime ))_(x)=y\cdot ((\left(x \right))^(\prime ))=y\cdot 1=y\ ]
Cu toate acestea, mulți studenți nu înțeleg această notație, așa că haideți să o scriem astfel:
\[((\left(xy \right))^(\prime ))_(x)=((\left(x \right))^(\prime ))_(x)\cdot y+x\cdot ((\left(y \right))^(\prime ))_(x)=1\cdot y+x\cdot 0=y\]
Astfel, suntem din nou convinși de universalitatea algoritmului derivatei parțiale: indiferent de modul în care le calculăm, dacă toate regulile sunt aplicate corect, răspunsul va fi același.
Acum să ne uităm la încă o derivată parțială din formula noastră mare:
\[((\left(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \right))^(\prime ))_(x)=((\left((() x)^(2)) \right))^(\prime ))_(x)+((\left(((y)^(2)) \right))^(\prime ))_(x) +(((1)")_(x))=2x+0+0\]
Să substituim expresiile rezultate în formula noastră și să obținem:
\[\frac(((\left(xy \right))^(\prime ))_(x)\left(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \ dreapta)-xy((\left(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \right))^(\prime ))_(x))(((\left) (((x)^(2))+((y)^(2))+1 \dreapta))^(2)))=\]
\[=\frac(y\cdot \left(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \right)-xy\cdot 2x)(((\left((() x)^(2))+((y)^(2))+1 \dreapta))^(2)))=\]
\[=\frac(y\left(((x)^(2))+((y)^(2))+1-2((x)^(2)) \right))(((\) stânga(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \right))^(2)))=\frac(y\left(((y)^(2)) -((x)^(2))+1 \right))(((\left(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \right))^(2 )))\]
Bazat pe $x$ numărați. Și pentru a calcula $y$ din aceeași expresie, să nu executăm aceeași secvență de acțiuni, ci să profităm de simetria expresiei noastre originale - pur și simplu înlocuim toți $y$ din expresia noastră originală cu $x$ și invers:
\[(((z)")_(y))=\frac(x\left(((x)^(2))-((y)^(2))+1 \right))((( \left(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \right))^(2)))\]
Datorită simetriei, am calculat această expresie mult mai rapid.
Nuanțe ale soluției
Pentru derivatele parțiale funcționează toate formulele standard pe care le folosim pentru cele obișnuite, și anume, derivata coeficientului. În același timp, însă, apar și caracteristici specifice: dacă luăm în considerare derivata parțială a lui $x$, atunci când o obținem din $x$, o considerăm constantă și, prin urmare, derivata ei va fi egală cu „zero” .
Ca și în cazul derivatelor obișnuite, parțialul (același) poate fi calculat de mai multe în diverse moduri. De exemplu, aceeași construcție pe care tocmai am calculat-o poate fi rescrisă după cum urmează:
\[((\left(\frac(y)(x) \right))^(\prime ))_(x)=y\cdot ((\left(\frac(1)(x) \right)) ^(\prime ))_(x)=-y\frac(1)(((x)^(2)))\]
\[((\left(xy \right))^(\prime ))_(x)=y\cdot (((x)")_(x))=y\cdot 1=y\]
În același timp, pe de altă parte, puteți utiliza formula din suma derivatelor. După cum știm, este egal cu suma derivatelor. De exemplu, să scriem următoarele:
\[((\left(((x)^(2))+((y)^(2))+1 \right))^(\prime ))_(x)=2x+0+0=2x \]
Acum, știind toate acestea, să încercăm să lucrăm cu expresii mai serioase, deoarece derivatele parțiale reale nu se limitează doar la polinoame și rădăcini: există și trigonometrie și logaritmi și funcția exponențială. Acum hai să facem asta.
Probleme cu funcțiile trigonometrice și logaritmi
Sarcina nr. 1
Să scriem următoarele formule standard:
\[((\left(\sqrt(x) \right)))^(\prime ))_(x)=\frac(1)(2\sqrt(x))\]
\[((\left(\cos x \right))^(\prime ))_(x)=-\sin x\]
Înarmați cu aceste cunoștințe, să încercăm să rezolvăm:
\[(((z)")_(x))=((\left(\sqrt(x)\cdot \cos \frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(x )=((\left(\sqrt(x) \right))^(\prime ))_(x)\cdot \cos \frac(x)(y)+\sqrt(x)\cdot ((\left (\cos \frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(x)=\]
Să scriem o variabilă separat:
\[((\left(\cos \frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(x)=-\sin \frac(x)(y)\cdot ((\left( \frac(x)(y)\right))^(\prime ))_(x)=-\frac(1)(y)\cdot \sin \frac(x)(y)\]
Să revenim la designul nostru:
\[=\frac(1)(2\sqrt(x))\cdot \cos \frac(x)(y)+\sqrt(x)\cdot \left(-\frac(1)(y)\cdot \sin \frac(x)(y) \right)=\frac(1)(2\sqrt(x))\cdot \cos \frac(x)(y)-\frac(\sqrt(x))( y)\cdot \sin \frac(x)(y)\]
Gata, am găsit-o pentru $x$, acum hai să facem calculele pentru $y$:
\[(((z)")_(y))=((\left(\sqrt(x)\cdot \cos \frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(y )=((\left(\sqrt(x) \right))^(\prime ))_(y)\cdot \cos \frac(x)(y)+\sqrt(x)\cdot ((\left (\cos \frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(y)=\]
Din nou, să calculăm o expresie:
\[((\left(\cos \frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(y)=-\sin \frac(x)(y)\cdot ((\left( \frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(y)=-\sin \frac(x)(y)\cdot x\cdot \left(-\frac(1)(( (y)^(2))) \dreapta)\]
Revenim la expresia originală și continuăm soluția:
\[=0\cdot \cos \frac(x)(y)+\sqrt(x)\cdot \frac(x)(((y)^(2)))\sin \frac(x)(y) =\frac(x\sqrt(x))(((y)^(2)))\cdot \sin \frac(x)(y)\]
Totul este făcut.
Problema nr. 2
Să scriem formula de care avem nevoie:
\[((\left(\ln x \right))^(\prime ))_(x)=\frac(1)(x)\]
Acum să numărăm cu $x$:
\[(((z)")_(x))=((\left(\ln \left(x+\ln y \right) \right))^(\prime ))_(x)=\frac( 1)(x+\ln y).((\left(x+\ln y \right))^(\prime ))_(x)=\]
\[=\frac(1)(x+\ln y)\cdot \left(1+0 \right)=\frac(1)(x+\ln y)\]
Găsit pentru $x$. Numărăm cu $y$:
\[(((z)")_(y))=((\left(\ln \left(x+\ln y \right) \right))^(\prime ))_(y)=\frac( 1)(x+\ln y).((\left(x+\ln y \right))^(\prime ))_(y)=\]
\[=\frac(1)(x+\ln y)\left(0+\frac(1)(y) \right)=\frac(1)(y\left(x+\ln y \right))\ ]
Problema este rezolvată.
Nuanțe ale soluției
Deci, indiferent de ce funcție luăm derivata parțială, regulile rămân aceleași, indiferent dacă lucrăm cu trigonometrie, cu rădăcini sau cu logaritmi.
Regulile clasice de lucru cu derivate standard rămân neschimbate, și anume, derivata sumei și diferenței, coeficientul și functie complexa.
Ultima formulă se găsește cel mai adesea la rezolvarea problemelor cu derivate parțiale. Îi întâlnim aproape peste tot. Nu a existat niciodată o singură sarcină în care să nu am întâlnit-o. Dar indiferent de formula pe care o folosim, mai avem încă o cerință adăugată, și anume, particularitatea lucrului cu derivate parțiale. De îndată ce fixăm o variabilă, toate celelalte se dovedesc a fi constante. În special, dacă luăm în considerare derivata parțială a expresiei $\cos \frac(x)(y)$ față de $y$, atunci $y$ este variabila, iar $x$ rămâne o constantă peste tot. Același lucru funcționează invers. Poate fi scos din semnul derivatei, iar derivata constantei în sine va fi egală cu „zero”.
Toate acestea conduc la faptul că derivatele parțiale ale aceleiași expresii, dar în raport cu diferite variabile, pot arăta complet diferit. De exemplu, să ne uităm la următoarele expresii:
\[((\left(x+\ln y \right))^(\prime ))_(x)=1+0=1\]
\[((\left(x+\ln y \right))^(\prime ))_(y)=0+\frac(1)(y)=\frac(1)(y)\]
Probleme cu funcțiile exponențiale și logaritmii
Sarcina nr. 1
Pentru început, să scriem următoarea formulă:
\[((\left(((e)^(x)) \right))^(\prime ))_(x)=((e)^(x))\]
Cunoscând acest fapt, precum și derivata unei funcții complexe, să încercăm să calculăm. Acum o voi rezolva în două moduri diferite. Primul și cel mai evident este derivatul produsului:
\[(((z)")_(x))=((\left(((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y))) \right) )^(\prime ))_(x)=((\left(((e)^(x)) \right))^(\prime ))_(x)\cdot ((e)^(\frac (x)(y)))+((e)^(x))\cdot ((\left(((e)^(\frac(x)(y))) \right))^(\prime ) )_(x)=\]
\[=((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y)))+((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac (x)(y)))\cdot ((\left(\frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(x)=\]
Să rezolvăm separat următoarea expresie:
\[((\left(\frac(x)(y) \right)))^(\prime ))_(x)=\frac(((((x)"))_(x))\cdot y-x .((((y)"))_(x)))(((y)^(2)))=\frac(1\cdot y-x\cdot 0)(((y)^(2))) =\frac(y)(((y)^(2)))=\frac(1)(y)\]
Revenim la designul nostru original și continuăm cu soluția:
\[=((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y)))+((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac (x)(y)))\cdot \frac(1)(y)=((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y)))\left(1 +\frac(1)(y)\dreapta)\]
Totul, $x$ este calculat.
Totuși, așa cum am promis, acum vom încerca să calculăm această derivată parțială într-un mod diferit. Pentru a face acest lucru, rețineți următoarele:
\[((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y)))=((e)^(x+\frac(x)(y)))\]
Hai sa o scriem asa:
\[((\left(((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y))) \right))^(\prime ))_(x)=( (\left(((e)^(x+\frac(x)(y))) \right))^(\prime ))_(x)=((e)^(x+\frac(x)(y) )))\cdot ((\left(x+\frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(x)=((e)^(x+\frac(x)(y)) )\cdot \left(1+\frac(1)(y) \right)\]
Drept urmare, am primit exact același răspuns, dar cantitatea de calcule s-a dovedit a fi mai mică. Pentru a face acest lucru, a fost suficient să rețineți că la efectuarea produsului, indicatorii pot fi adăugați.
Acum să numărăm cu $y$:
\[(((z)")_(y))=((\left(((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y))) \right) )^(\prime ))_(y)=((\left(((e)^(x)) \right))^(\prime ))_(y)\cdot ((e)^(\frac (x)(y)))+((e)^(x))\cdot ((\left(((e)^(\frac(x)(y))) \right))^(\prime ) )_(y)=\]
\[=0\cdot ((e)^(\frac(x)(y)))+((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y))) \cdot ((\left(\frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(y)=\]
Să rezolvăm o expresie separat:
\[((\left(\frac(x)(y) \right)))^(\prime ))_(y)=\frac(((((x)"))_(y))\cdot y-x \cdot ((((y)"))_(y)))(((y)^(2)))=\frac(0-x\cdot 1)(((y)^(2))) =-\frac(1)(((y)^(2)))=-\frac(x)(((y)^(2)))\]
Să continuăm să rezolvăm construcția noastră originală:
\[=((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y)))\cdot \left(-\frac(x)(((y)^(2) )) \right)=-\frac(x)(((y)^(2)))\cdot ((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y) ))\]
Desigur, această derivată ar putea fi calculată în al doilea mod, iar răspunsul ar fi același.
Problema nr. 2
Să numărăm cu $x$:
\[(((z)")_(x))=((\left(x \right))_(x))\cdot \ln \left(((x)^(2))+y \right )+x\cdot ((\left(\ln \left(((x)^(2))+y \right) \right))^(\prime ))_(x)=\]
Să calculăm o expresie separat:
\[((\left(\ln \left((((x)^(2))+y \right) \right))^(\prime ))_(x)=\frac(1)(((x) )^(2))+y)\cdot ((\left(((x)^(2))+y \right))^(\prime ))_(x)=\frac(2x)((( x)^(2))+y)\]
Să continuăm rezolvarea construcției inițiale: $$
Iată răspunsul.
Rămâne de găsit prin analogie folosind $y$:
\[(((z)")_(y))=((\left(x \right))^(\prime ))_(y).\ln \left(((x)^(2)) +y \right)+x\cdot ((\left(\ln \left(((x)^(2))+y \right) \right))^(\prime ))_(y)=\]
Ca întotdeauna, calculăm o expresie separat:
\[((\left(((x)^(2))+y \right))^(\prime ))_(y)=((\left(((x)^(2)) \right) )^(\prime ))_(y)+(((y)")_(y))=0+1=1\]
Continuăm să rezolvăm designul de bază:
Totul a fost calculat. După cum puteți vedea, în funcție de ce variabilă este luată pentru diferențiere, răspunsurile sunt complet diferite.
Nuanțe ale soluției
Iată un exemplu izbitor al modului în care derivata aceleiași funcții poate fi calculată în două moduri diferite. Uite aici:
\[(((z)")_(x))=\left(((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y))) \right)=( (\left(((e)^(x)) \right))^(\prime ))_(x)\cdot ((e)^(\frac(x)(y)))+((e) ^(x))\cdot ((\left(((e)^(\frac(x)(y))) \right))^(\prime ))_(x)=\]
\[=((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac(x)(y)))+((e)^(x))\cdot ((e)^(\frac (x)(y)))\cdot \frac(1)(y)=((e)^(x))\cdot ((e)^(^(\frac(x)(y))))\ stânga(1+\frac(1)(y) \dreapta)\]
\[(((z)")_(x))=((\left(((e)^(x)).((e)^(\frac(x)(y))) \right)) ^(\prime ))_(x)=((\left(((e)^(x+\frac(x)(y))) \right)))^(\prime ))_(x)=(( e)^(x+\frac(x)(y))).((\left(x+\frac(x)(y) \right))^(\prime ))_(x)=\]
\[=((e)^(x))\cdot ((e)^(^(\frac(x)(y))))\left(1+\frac(1)(y) \right)\ ]
Atunci când alegeți căi diferite, cantitatea de calcule poate fi diferită, dar răspunsul, dacă totul este făcut corect, va fi același. Acest lucru se aplică atât derivatelor clasice, cât și parțiale. În același timp, vă reamintesc încă o dată: în funcție de ce variabilă este luată derivata, adică. diferențiere, răspunsul poate fi complet diferit. Uite:
\[((\left(\ln \left((((x)^(2))+y \right) \right))^(\prime ))_(x)=\frac(1)(((x) )^(2))+y)\cdot ((\left(((x)^(2))+y \right))^(\prime ))_(x)=\frac(1)((( x)^(2))+y)\cdot 2x\]
\[((\left(\ln \left((((x)^(2))+y \right) \right))^(\prime ))_(y)=\frac(1)(((x) )^(2))+y)\cdot ((\left(((x)^(2))+y \right))^(\prime ))_(y)=\frac(1)((( x)^(2))+y)\cdot 1\]
În concluzie, pentru a consolida tot acest material, să încercăm să calculăm încă două exemple.
Probleme cu funcții trigonometrice și funcții cu trei variabile
Sarcina nr. 1
Să notăm următoarele formule:
\[((\left(((a)^(x)) \right))^(\prime ))=((a)^(x))\cdot \ln a\]
\[((\left(((e)^(x)) \right))^(\prime ))=((e)^(x))\]
Să rezolvăm acum expresia noastră:
\[(((z)")_(x))=((\left(((3)^(x\sin y)) \right))^(\prime ))_(x)=((3) )^(x.\sin y))\cdot \ln 3\cdot ((\left(x\cdot \sin y \right))^(\prime ))_(x)=\]
Să calculăm separat următoarea construcție:
\[((\left(x\cdot \sin y \right))^(\prime ))_(x)=(((x)")_(x))\cdot \sin y+x((\ stânga(\sin y \right))^(\prime ))_(x)=1\cdot \sin y+x\cdot 0=\sin y\]
Continuăm să rezolvăm expresia originală:
\[=((3)^(x\sin y))\cdot \ln 3\cdot \sin y\]
Acesta este răspunsul final al variabilei private pe $x$. Acum să numărăm cu $y$:
\[(((z)")_(y))=((\left(((3)^(x\sin y)) \right))^(\prime ))_(y)=((3) )^(x\sin y))\cdot \ln 3\cdot ((\left(x\sin y \right))^(\prime ))_(y)=\]
Să rezolvăm o expresie separat:
\[((\left(x\cdot \sin y \right))^(\prime ))_(y)=(((x)")_(y))\cdot \sin y+x((\ stânga(\sin y \right))^(\prime ))_(y)=0\cdot \sin y+x\cdot \cos y=x\cdot \cos y\]
Să ne rezolvăm construcția până la capăt:
\[=((3)^(x\cdot \sin y))\cdot \ln 3\cdot x\cos y\]
Problema nr. 2
La prima vedere, acest exemplu poate părea destul de complicat, deoarece există trei variabile. De fapt, aceasta este una dintre cele mai ușoare sarcini din tutorialul video de astăzi.
Găsiți după $x$:
\[(((t)")_(x))=((\left(x((e)^(y))+y((e)^(z)) \right))^(\prime ) )_(x)=((\left(x\cdot ((e)^(y)) \right))^(\prime ))_(x)+((\left(y\cdot ((e)) ^(z)) \right))^(\prime ))_(x)=\]
\[=((\left(x \right))^(\prime ))_(x)\cdot ((e)^(y))+x\cdot ((\left(((e)^(y) )) \right))^(\prime ))_(x)=1\cdot ((e)^(y))+x\cdot o=((e)^(y))\]
Acum să ne ocupăm de $y$:
\[(((t)")_(y))=((\left(x\cdot ((e)^(y))+y\cdot ((e)^(z)) \right))^ (\prime ))_(y)=((\left(x\cdot ((e)^(y)) \right))^(\prime ))_(y)+((\left(y\cdot) ((e)^(z)) \right))^(\prime ))_(y)=\]
\[=x\cdot ((\left(((e)^(y)) \right))^(\prime ))_(y)+((e)^(z))\cdot ((\left) (y \right))^(\prime ))_(y)=x\cdot ((e)^(y))+((e)^(z))\]
Am găsit răspunsul.
Acum tot ce rămâne este să găsiți cu $z$:
\[(((t)")_(z))=((\left(x\cdot ((e)^(y))+((y)^(z)) \right))^(\prime ))_(z)=((\left(x\cdot ((e)^(y)) \right))^(\prime ))_(z)+((\left(y\cdot ((e) )^(z)) \right))^(\prime ))_(z)=0+y\cdot ((\left(((e)^(z)) \right))^(\prime )) _(z)=y\cdot ((e)^(z))\]
Am calculat derivata a treia, care completează soluția celei de-a doua probleme.
Nuanțe ale soluției
După cum puteți vedea, nu este nimic complicat în aceste două exemple. Singurul lucru de care suntem convinși este că derivata unei funcții complexe este folosită des și în funcție de derivata parțială pe care o calculăm, obținem răspunsuri diferite.
În ultima sarcină, ni s-a cerut să ne ocupăm de o funcție de trei variabile simultan. Nu este nimic în neregulă cu asta, dar până la urmă am fost convinși că toate sunt semnificativ diferite unele de altele.
Puncte cheie
Ultimele concluzii din tutorialul video de astăzi sunt următoarele:
- Derivatele parțiale sunt calculate în același mod ca și cele obișnuite, dar pentru a calcula derivata parțială față de o variabilă, luăm toate celelalte variabile incluse în această funcție ca constante.
- Când lucrăm cu derivate parțiale, folosim aceleași formule standard ca și cu derivatele obișnuite: sumă, diferență, derivată a produsului și coeficientului și, desigur, derivată a unei funcții complexe.
Desigur, doar vizionarea acestei lecții video nu este suficientă pentru a înțelege pe deplin acest subiect, așa că chiar acum pe site-ul meu există un set de probleme pentru acest videoclip dedicat special subiectului de astăzi - intrați, descărcați, rezolvați aceste probleme și verificați răspunsul . Și după aceea, nicio problemă cu derivatele parțiale nici la examene, nici în munca independenta nu vei avea. Desigur, aceasta nu este ultima lecție de matematică superioară, așa că vizitați site-ul nostru, adăugați VKontakte, abonați-vă la YouTube, like și rămâneți cu noi!
Fiecare derivată parțială (prin x iar prin y) a unei funcții a două variabile este derivata obișnuită a unei funcții a unei variabile pentru o valoare fixă a celeilalte variabile:
(Unde y= const),
(Unde x= const).
Prin urmare, derivatele parțiale sunt calculate folosind formule și reguli pentru calcularea derivatelor funcțiilor unei variabile, luând în considerare cealaltă constantă variabilă.
Dacă nu aveți nevoie de o analiză a exemplelor și de teoria minimă necesară pentru aceasta, ci aveți nevoie doar de o soluție la problema dvs., atunci accesați calculator de derivate parțiale online.
Dacă este greu să vă concentrați pentru a urmări unde se află constanta în funcție, atunci în schița de soluție a exemplului, în loc de o variabilă cu o valoare fixă, puteți înlocui orice număr - atunci puteți calcula rapid derivata parțială ca derivata obisnuita a unei functii a unei variabile. Trebuie doar să vă amintiți să returnați constanta (o variabilă cu o valoare fixă) la locul ei când terminați proiectul final.
Proprietatea derivatelor parțiale descrisă mai sus rezultă din definiția derivatelor parțiale, care poate apărea în întrebările de examen. Prin urmare, pentru a vă familiariza cu definiția de mai jos, puteți deschide referința teoretică.
Conceptul de continuitate a funcției z= f(x, y) într-un punct este definit în mod similar cu acest concept pentru o funcție a unei variabile.
Funcţie z = f(x, y) se numeste continuu intr-un punct daca
Diferența (2) se numește increment total al funcției z(se obține ca urmare a creșterii ambelor argumente).
Să fie dată funcția z= f(x, y) și punct
Dacă funcția se schimbă z apare atunci când doar unul dintre argumente se schimbă, de exemplu, x, cu o valoare fixă a altui argument y, atunci funcția va primi un increment
numită creștere parțială a funcției f(x, y) De către x.
Luând în considerare o schimbare a funcției zîn funcție de schimbarea doar a unuia dintre argumente, trecem efectiv la o funcție a unei variabile.
Dacă există o limită finită
atunci se numește derivată parțială a funcției f(x, y) prin argumentare xși este indicată de unul dintre simboluri
(4)
Creșterea parțială este determinată în mod similar z De y:
și derivată parțială f(x, y) De către y:
(6)
Exemplul 1.
Soluţie. Aflați derivata parțială față de variabila „x”:
(y fix);
Găsim derivata parțială față de variabila „y”:
(x fix).
După cum puteți vedea, nu contează în ce măsură variabila este fixă: în acest caz este pur și simplu un anumit număr care este un factor (ca și în cazul derivatei obișnuite) al variabilei cu care găsim derivata parțială. . Dacă variabila fixă nu este înmulțită cu variabila cu care găsim derivata parțială, atunci această constantă singuratică, indiferent în ce măsură, ca în cazul derivatei obișnuite, dispare.
Exemplul 2. Dată o funcție
Găsiți derivate parțiale
(prin X) și (prin Y) și calculați valorile lor la punctul O (1; 2).
Soluţie. La fix y derivata primului termen se găsește ca derivată a funcției de putere ( tabelul funcțiilor derivate ale unei variabile):
.
La fix x derivata primului termen se găsește ca derivată funcţie exponenţială, iar al doilea – ca derivată a unei constante:
Acum să calculăm valorile acestor derivate parțiale la punctul respectiv O (1; 2):
Puteți verifica soluția problemelor derivate parțiale la calculator online cu derivate parțiale.
Exemplul 3. Găsiți derivate parțiale ale funcțiilor
Soluţie. Într-un singur pas găsim
(y x, de parcă argumentul sinelui ar fi 5 x: la fel, 5 apare înaintea semnului funcției);
(x este fix și este în acest caz un multiplicator la y).
Puteți verifica soluția problemelor derivate parțiale la calculator online cu derivate parțiale.
Derivatele parțiale ale unei funcții de trei sau mai multe variabile sunt definite în mod similar.
Dacă fiecare set de valori ( x; y; ...; t) variabile independente din mulţime D corespunde unei anumite valori u din multi E, Asta u numită funcţie de variabile x, y, ..., t si denota u= f(x, y, ..., t).
Pentru funcțiile a trei sau mai multe variabile, nu există o interpretare geometrică.
Derivatele parțiale ale unei funcții a mai multor variabile sunt, de asemenea, determinate și calculate sub ipoteza că doar una dintre variabilele independente se modifică, în timp ce celelalte sunt fixe.
Exemplul 4. Găsiți derivate parțiale ale funcțiilor
.
Soluţie. yŞi z fix:
xŞi z fix:
xŞi y fix:
Găsiți singur derivate parțiale și apoi uitați-vă la soluții
Exemplul 5.
Exemplul 6. Găsiți derivate parțiale ale unei funcții.
Derivata parțială a unei funcții a mai multor variabile are același lucru sensul mecanic este același cu derivata unei funcții a unei variabile, este rata de modificare a funcției în raport cu o modificare a unuia dintre argumente.
Exemplul 8. Valoarea cantitativă a debitului P pasagerii căi ferate poate fi exprimat printr-o funcție
Unde P– numărul de pasageri, N– numărul de rezidenți ai punctelor corespondente, R- distanta dintre puncte.
Derivată parțială a unei funcții P De R, egal
arată că scăderea fluxului de pasageri este invers proporțională cu pătratul distanței dintre punctele corespunzătoare cu același număr de rezidenți în puncte.
Derivată parțială P De N, egal
arată că creșterea fluxului de pasageri este proporțională cu dublul numărului de locuitori ai localităților aflate la aceeași distanță între puncte.
Puteți verifica soluția problemelor derivate parțiale la calculator online cu derivate parțiale.
Diferenţial complet
Produsul unei derivate parțiale și incrementul variabilei independente corespunzătoare se numește diferență parțială. Diferențele parțiale se notează după cum urmează:
Suma diferenţialelor parţiale pentru toate variabilele independente dă diferenţialul total. Pentru o funcție a două variabile independente, diferența totală este exprimată prin egalitate
(7)
Exemplul 9. Găsiți diferența completă a unei funcții
Soluţie. Rezultatul utilizării formulei (7):
Se spune că o funcție care are o diferență totală în fiecare punct al unui anumit domeniu este diferențiabilă în acel domeniu.
Găsiți singur diferența totală și apoi uitați-vă la soluție
La fel ca și în cazul unei funcții a unei variabile, diferențiabilitatea unei funcții într-un anumit domeniu implică continuitatea acesteia în acest domeniu, dar nu invers.
Să formulăm fără dovezi o condiție suficientă pentru derivabilitatea unei funcții.
Teorema. Dacă funcţia z= f(x, y) are derivate parțiale continue
într-o regiune dată, atunci este diferențiabilă în această regiune și diferența sa este exprimată prin formula (7).
Se poate arăta că, asemănător cu ca și în cazul unei funcții a unei variabile, diferența funcției este partea liniară principală a incrementului funcției, iar în cazul unei funcții de mai multe variabile, diferența totală este principala, liniară față de incrementele variabilelor independente, parte a incrementului total al funcției.
Pentru o funcție a două variabile increment complet funcția are forma
(8)
unde α și β sunt infinitezimale la și .
Derivate parțiale de ordin superior
Derivate parțiale și funcții f(x, y) în sine sunt unele funcții ale acelorași variabile și, la rândul lor, pot avea derivate față de diferite variabile, care sunt numite derivate parțiale de ordin superior.
Conceptul de funcție a mai multor variabile
Fie n-variabile și fiecare x 1, x 2 ... x n dintr-un anumit set de x este asociat cu o definiție. numărul Z, atunci funcția Z = f (x 1, x 2 ... x n) a multor variabile este dată pe mulțimea x.
X – definirea zonei de funcție
x 1, x 2 ... x n – variabilă independentă (argumente)
Z – funcția Exemplu: Z=P x 2 1 *x 2 (Volumul cilindrului)
Se consideră Z=f(x;y) – funcția a 2 variabile (x 1, x 2 înlocuit cu x,y). Rezultatele sunt transferate prin analogie la alte funcții ale multor variabile. Zona pentru determinarea funcției a 2 variabile este întregul cordon (oh) sau o parte a acestuia. Numărul de valori ale funcției a 2 variabile este o suprafață în spațiu tridimensional.
Tehnici de construire a graficelor: - Se consideră secțiunea transversală a suprafeței în pătrate || pătrate de coordonate.
Exemplu: x = x 0, zn. pătratul X || 0уz y = y 0 0хz Tipul funcţiei: Z=f(x 0 ,y); Z=f(x,y 0)
De exemplu: Z=x 2 +y 2 -2y
Z= x 2 +(y-1) 2 -1 x=0 Z=(y-1) 2 -1 y=1 Z= x 2 -1 Z=0 x 2 +(y-1) 2 -1
Înconjurare parabolă(centru(0,1)
Limitele și continuitatea funcțiilor a două variabile
Fie dat Z=f(x;y), atunci A este limita funcției în m.(x 0 ,y 0), dacă pentru orice mulțime arbitrar mică. numărul E>0 este un număr pozitiv b>0, care pentru toate x, y satisface |x-x 0 |<б; |y-y 0 |<б выполняется нерав-во |f(x,y)-A| Z=f(x;y) este continuu într-un t (x 0 ,y 0) dacă: - este definit în acest t.; - are o finală limită la x, tinde spre x 0 și y spre y 0; - această limită = valoare funcții în t (x 0 ,y 0), adică. limf(x;y)=f(x 0 ,y 0) Dacă funcţia este continuă în fiecare t. mn-va X, atunci este continuu in aceasta zona Funcția diferențială, semnificația sa geom. Aplicarea diferenţialului în valori aproximative. dy=f’(x)∆x – funcție diferențială dy=dx, adică dy=f ’(x)dx dacă y=x Din punct de vedere geologic, diferența unei funcții este incrementul ordonatei tangentei trasate la graficul funcției în punctul cu abscisa x 0 Dif-l este utilizat la calcularea aprox. valorile funcției conform formulei: f(x 0 +∆x)~f(x 0)+f’(x 0)∆x Cu cât ∆x este mai aproape de x, cu atât rezultatul este mai precis Derivate parțiale de ordinul întâi și al doilea Derivată de ordinul întâi (care se numește parțială) A. Fie x, y incrementele variabilelor independente x și y la un anumit punct din regiunea X. Atunci valoarea egală cu z = f(x+ x, y+ y) = f(x,y) se numește total increment în punctul x 0, y 0. Dacă fixăm variabila x și dăm incrementul y variabilei y, atunci obținem zу = f(x,y,+ y) – f(x,y) Derivata parțială a variabilei y se determină în mod similar, adică. Derivata parțială a unei funcții de 2 variabile se găsește folosind aceleași reguli ca și pentru funcțiile unei variabile. Diferența este că la diferențierea unei funcții față de variabila x, y este considerat const, iar la diferențierea față de y, x, este considerat const. Const izolate sunt conectate la o funcție folosind operații de adunare/scădere. Bound const sunt conectate la o funcție prin operații de înmulțire/împărțire. Derivată a const izolat = 0 1.4.Diferenţial complet al unei funcţii de 2 variabile şi aplicaţiile acesteia
Fie z = f(x,y), atunci tz = Derivată parțială de ordinul 2 Pentru funcțiile continue a 2 variabile, derivatele parțiale mixte de ordinul 2 coincid. Aplicarea derivatelor parțiale la determinarea derivatelor parțiale ale funcțiilor max și min se numesc extreme. A. Punctele se numesc max sau min z = f(x,y) dacă există unele segmente astfel încât pentru toate x și y din această vecinătate f(x,y) T. Dacă este dat un punct extremum al unei funcții de 2 variabile, atunci valoarea derivatelor parțiale în acest punct este egală cu 0, i.e. , Punctele în care derivatele parțiale de ordinul întâi sunt numite staționare sau critice. Prin urmare, pentru a găsi punctele extreme ale unei funcții de 2 variabile, sunt utilizate suficiente condiții extreme. Fie funcția z = f(x,y) să fie de două ori diferențiabilă și un punct staționar, 1) și maxA<0, minA>0. 1.4.(*)Diferenţial complet. Sensul geometric al diferenţialului. Aplicarea diferenţialului în calcule aproximative
A. Fie definită funcția y = f(x) într-o anumită vecinătate în puncte. Se spune că o funcție f(x) este diferențiabilă într-un punct dacă incrementul ei în acest punct este Unde A este o valoare constantă independentă de , la un punct fix x și este infinitezimal la . O funcție relativ liniară A se numește diferența funcției f(x) într-un punct și se notează df() sau dy. Astfel, expresia (1) poate fi scrisă ca Diferenţialul funcţiei din expresia (1) are forma dy = A. Ca orice funcție liniară, este definită pentru orice valoare Pentru comoditatea scrierii diferenţialului, incrementul este notat cu dx şi se numeşte diferenţialul variabilei independente x. Prin urmare, diferența se scrie ca dy = Adx. Dacă funcția f(x) este diferențiabilă în fiecare punct al unui anumit interval, atunci diferența sa este o funcție a două variabile - punctul x și variabila dx: T. Pentru ca funcția y = g(x) să fie diferențiabilă la un moment dat, este necesar și suficient ca ea să aibă o derivată în acest punct și (*) Dovada. Necesitate. Fie funcția f(x) diferențiabilă în punct, adică. Prin urmare, derivata f’() există și este egală cu A. Prin urmare, dy = f’()dx Adecvarea. Să existe o derivată f’(), adică. = f'(). Atunci curba y = f(x) este un segment tangent. Pentru a calcula valoarea unei funcții într-un punct x, luați un punct într-o vecinătate a acestuia, astfel încât să nu fie dificil să găsiți f() și f’()/
- numit increment complet
, unde este prezentat sub forma (1)
().
în timp ce creșterea funcției trebuie luată în considerare numai pentru cele pentru care + aparține domeniului de definiție al funcției f(x).. Apoi
