Предел и непрерывность функции двух переменных

Многие явления, происходящие в природе, экономике, общественной жизни нельзя, описать с помощью функции одной переменной. Например, рентабельность предприятия зависит от прибыли, основных и оборотных фондов. Для изучения такого рода зависимостей и вводится понятие функции нескольких переменных.

В данной лекции рассматриваются функции двух переменных, так как все основные понятия и теоремы, сформулированные для функций двух переменных, легко обобщаются на случай большего числа переменных.

Пусть B – множество упорядоченных пар действительных чисел .

Определение 1Если каждой упорядоченной паре чисел по некоторому закону поставлено в соответствие единственное действительное число , то говорят, что задана функция двух переменных или . Числа называются при этом независимыми переменными или аргументами функции, а число – зависимой переменной.

Например, формула , выражающая объем цилиндра, является функцией двух переменных: – радиуса основания и – высоты.

Пару чисел иногда называют точкой , а функцию двух переменных – функцией точки .

Значение функции в точке обозначают или и называют частным значением функции двух переменных.

Совокупность всех точек , в которых определена функция , называется областью определения этой функции. Для функции двух переменных область определения представляет собой всю координатную плоскость или ее часть, ограниченную одной или несколькими линиями.

Например, область определения функции – вся плоскость, а функции – единичный круг с центром в начале координат ( или .

Понятия предела и непрерывности функции двух переменных аналогичны случаю одной переменной.

Пусть – произвольная точка плоскости. – окрестностью точки называется множествовсех точек , координаты которых удовлетворяют неравенству . Другими словами, – окрестностьточки –это все внутренние точки круга с центром в точке и радиусом .

Определение 2Число называется пределом функции при (или в точке ), если для любого сколь угодно малого положительного числа существует (зависящее от ) такое, что для всех , удовлетворяющих неравенству , выполняется неравенство .

Обозначается предел следующим образом: или .

Пример 1 Найти предел .

Решение. Введем обозначение , откуда . При имеем, что . Тогда

.

Определение 3Функция называется непрерывной в точке , если: 1)определена в точке и ее окрестности; 2) имеет конечный предел ; 3) этот предел равен значению функции в точке , т.е. .

Функция называется непрерывной в некоторой области, если она непрерывна в каждой точке этой области.

Точки, в которых условие непрерывности не выполняется, называются точками разрыва этой функции. В некоторых функциях точки разрыва образуют целые линии разрыва. Например, функция имеет две линии разрыва: ось ( ) и ось ( ).

Пример 2 Найти точки разрыва функции .

Решение.Данная функция не определена в тех точках, в которых знаменатель обращается в нуль, т. е. в точках, где или . Это окружность с центром в начале координат и радиусом . Значит, линией разрыва исходной функции будет окружность .

2 Частные производные первого порядка. Полный дифференциал.
Частные производные высших порядков

Пусть задана функция двух переменных . Дадим аргументу приращение , а аргумент оставим неизменным. Тогда функция получит приращение , которое называется частным приращением по переменной и обозначается :

.

Аналогично, фиксируя аргумент и придавая аргументу приращение , получим частное приращение функции по переменной :

.

Величина называется полным прира-щением функции в точке .

Определение 4 Частной производной функции двух переменных по одной из этих переменных называется предел отношения соответствующего частного приращения функции к приращению данной переменной, когда последнее стремится к нулю (если этот предел существует).

Обозначается частная производная так: или , или .

Таким образом, по определению 4 имеем:

;

.

Частные производные функции вычисляются по тем же правилам и формулам, что и функция одной переменной, при этом учитывается, что при дифференцировании по переменной , считается постоянной, а при дифференцировании по переменной постоянной считается .

Пример 3 Найти частные производные функций:

1) ; 2) .

Решение:

1 Чтобы найти , считаем постоянной величиной и дифференцируем как функцию одной переменной :

.

Аналогично, считая постоянной величиной, находим :

.

2 ;

.

Определение 5 Полным дифференциалом функции называется сумма произведений частных производных этой функции на приращения соответствующих независимых переменных, т.е.

.

При нефиксированных : , а формулу полного дифференциала можно записать в виде

или .

Пример 4 Найти полный дифференциал функции .

Решение.Так как , то по формуле полного дифференциала находим

.

Частные производные и называют частными производными первого порядка.

Определение 6 Частными производными второго порядка функции называются частные производные от частных производных первого порядка.

Частных производных второго порядка четыре. Они обозначаются следующим образом:

или ; или ;

или ; или .

Аналогично определяются частные производные 3-го, 4-го и более высоких порядков. Например, для функции имеем:

; и т. д.

Частные производные второго или более высокого порядка, взятые по различным переменным, называются смешанными частными производными. Для функции таковыми являются производные . Заметим, что в случае, когда смешанные производные непрерывны, то имеет место равенство .

Пример 5 Найти частные производные второго порядка функции .

Решение.Частные производные первого порядка для данной функции найдены в примере 3:

. Дифференцируя и по переменным х и y, получим:

;

;

;

.

3 Экстремум функции нескольких переменных.
Необходимые и достаточные условия существования экстремума

Определение 7Точка называется точкой минимума (максимума) функции , если существует такая окрестность точки , что для всех точек из этой окрестности выполняется неравенство , ( ).

Точки минимума и максимума функции называются точками экстремума, а значения функции в этих точках – экстремумами функции (минимумом и максимумом соответственно).

Заметим, что минимум и максимум функции имеют локальный характер, так как значение функции в точке сравнивается с ее значениями в точках, достаточно близких к .

Теорема 1(необходимые условия экстремума).Если – точка экстремума дифференцируемой функции , то ее частные производные и в этой точке равны нулю: .

Точки, в которых частные производные первого порядка равны нулю, называются критическими или стационарными. В критических точках функция может иметь экстремум, а может и не иметь его.

Теорема 2(достаточное условие экстремума).Пусть функция : а) определена в некоторой окрестности критической точки , в которой и ; б) имеет непрерывные частные производные второго порядка . Тогда, если , то функция в точке имеет экстремум: максимум, если А<0; минимум, если А>0; если , то функция в точке экстремума не имеет. В случае вопрос о наличии экстремума остается открытым.

При исследовании функции двух переменных на экстремум рекомендуется использовать следующую схему:

1 Найти частные производные первого порядка: и .

2 Решить систему уравнений и найти критические точки функции.

3 Найти частные производные второго порядка: , , .

4 Вычислить значения частных производных второго порядка в каж-

дой критической точке и, используя достаточные условия, сделать вывод о наличии экстремума.

5 Найти экстремумы функции.

Пример 6Найти экстремумы функции .

Решение:

1Находим частные производные и :

; .

2Для определения критических точек решаем систему уравнений:

или

Из первого уравнения системы находим: . Подставляя найденное значение y во второе уравнение, получим:

, , ,

откуда

.

Находим значения y, соответствующие значениям . Подставляя значения в уравнение , получим:

.

Таким образом, имеем две критические точки: и .

3 Находим частные производные второго порядка:

; ; .

4 Вычисляем значения частных производных второго порядка в каждой критической точке. Для точки имеем:

; ; .

Так как , то в точке экстремума нет.

В точке : ; ; и, следовательно, . Значит, в силу достаточного условия экстремума, в точке функция имеет минимум, так как в этой точке и .

5 Находим значение функции в точке :

.

Лекция 7 НеоПРЕДЕЛЕННЫЙ иНТЕГРАЛ

План

1 Первообразная и неопределенный интеграл. Таблица основных неопределенных интегралов.

2 Основные методы интегрирования.

Ключевые понятия

1 Первообразная и неопределенный интеграл.
Таблица основных неопределенных интегралов

Одной из основных задач дифференциального исчисления является отыскание производной заданной функции. В интегральном исчислении решается обратная задача: по данной функции найти функцию , производная которой была бы равна функции , т.е. . Искомую функцию называют первообразной для функции .

Определение 1 Функция называется первообразной для функции на интервале , если она дифференцируема на и для любого выполняется равенство

.

Теорема:если функция является первообразной для функции на интервале , то множество всех первообразных для задается формулой , где C – произвольная постоянная.

Определение 2Множество всех первообразных функций для функции на интервале называется неопределенным интегралом от функции на этом интервале и обозначается символом , где – знак интеграла; – подынтегральная функция; – подынтегральное выражение; – переменная интегрирования.

Таким образом:

,

где – некоторая первообразная для на интервале ;

C – произвольная постоянная.

Операция нахождения неопределенного интеграла от данной функции называется интегрированием этой функции. Интегрирование представляет собой операцию, обратную дифференцированию. Для того чтобы проверить, правильно ли выполнено интегрирование, достаточно продифференцировать результат и получить при этом подынтегральную функцию.

Пример 1 Проверить, что .

Решение. Продифференцируем результат интегрирования:

.

Получили подынтегральную функцию, следовательно, интегрирование выполнено верно.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: