ДИФФЕРЕНЦИРУЕМОСТЬ ФУНКЦИИ МНОГИХ ПЕРЕМЕННЫХ. ЧАСТНЫЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
Пусть определена в некоторой окрестности точки
,
- точка из этой окрестности.
Определение. Величина называется приращением функции
в точке,
соответствующим приращению аргумента
.
Определение .Функция называется дифференцируемой в точке
, если существуют такие постоянные числа
и функции
при
(18.1)
Часто обозначают и
. Тогда перепишем в виде
.
При наше определение совпадает с известными определением дифференцируемости
. Для функций одной переменной дифференцируемость равносильна существованию производной. В случае нескольких переменных ситуация несколько сложнее.
Сначала введем в рассмотрение величину . Она представляет собой приращение функции при фиксированных значениях всех производных, кроме i-той.
Пусть дифференцируема в точке
. Тогда для любого
при
Поскольку при фиксированных значениях
равносильно тому, что
, равенство означает, что функция одной переменной
.
дифференцируема в точке
и, значит, существует
называемый, по определению, частной производной функции по переменной
в точке
.
Мы только что, тем самым, доказали теорему:
Теорема. Если дифференцируема в точке
, то для всех
существуют
.
Таким образом, существование частных производных – необходимое условие дифференцируемости. При этом
при
.
Другое необходимое условие дифференцируемости – непрерывность функции, как показывает следующая теорема.
Теорема. Если дифференцируема в точке
, то
.
Однако, в отличие от случая , из существования частных производных
, не следует даже непрерывность функции
в точке
и тем более не следует дифференцируемость
в точке
.
Пример. . Тогда
, так как
. Аналогично,
. Однако
даже не непрерывна в точке
.
Достаточное условие дифференцируемости дает следующая теорема.
Теорема. Пусть частные производные существуют в окрестности точки
и непрерывны в этой точке. Тогда
дифференцируема в точке
.
Замечание. Непрерывность частных производных не является необходимым условием дифференцируемости функций. Например можно доказать, что функция дифференцируема в точке
, но частные производные в этой точке не непрерывны.
Замечание. Тем не менее, для функции частные производные в точке
равны 0, так как
и
(в остальных точках
,
и ясно, что эти производные терпят разрыв в точке
. Но при1ращение
не имеет вид
, где
при
. Действительно, полагая
и предполагая, что
получаем
, или
что невозможно, так как при
правая часть стремится к 0, а левая нет!
Пусть определена в некоторой окрестности точки
, и пусть в этой точке существуют
,
.
Определение.Линейная функция от независимых переменных
вида
называется дифференциалом
в точке
и обозначается
.
Каждую из независимых переменных ,
можно рассматривать как функцию
, причем
,
, а для любого
и любого
имеем
.
Тогда, последовательно выбирая ,
, получаем
.
Подставляя вместо величину
, получаем более часто употребляемую запись дифференциала:
.
Обычно величинам переменных придают значения
приращений независимых переменных, не входящих при добавлении
к рассматриваемой точке за границу рассматриваемой области. Независимость переменных
означает, что если взять какое-то приращение
, то оно не меняется при переходе от одной точки области к другой (а для зависимых переменных переход к другой точке вызывает соответствующие изменения вектора
).
Поэтому
для независимых переменных
(для них, напомним еще раз,
).
Вспомним определение дифференцируемой функции: ее приращение имело вид
,
где при
.
Это равенство можно переписать в виде
.
Оно означает, что если среди чисел есть отличное от нуля, то
представляет собой главную, притом линейную по
, часть приращения.
Определим (пока формально) вектор . Тогда
(скалярное произведение). (Вектор градиента служит обобщением понятия производной функции. Напомним, что
.)
Для отображения пространства
в
, состоящего из дифференцируемых функций, также можно определить дифференциал
. При этом
.
Матрица называется матрицей Якоби отображения
.
ПРОИЗВОДНАЯ СЛОЖНОЙ ФУНКЦИИ. ИНВАРИАНТНОСТЬ ФОРМЫ ПЕРВОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛА
Допустим, что дифференцируемая в точке
функция,
и
, причем
– дифференцируемые в точке
функции. Положим
. Тогда
, где
при
.
В определении дифференцируемости можно доопределить функции в точке
, положив
. Тогда при
(а может быть, и принимает значения
). Но тогда
(так как
у нас доопределены в точке
нулем) и
, таким образом,
Рассмотрим теперь случай, когда
. Применяя полученное выше правило, получим, в очевидных обозначениях
Эти равенства дают правилавычисления производных сложных функций.
Следствие. Следствием этих правил является инвариантность формы первого дифференциала. Именно, пусть . Тогда
.
Это означает, что как в случае независимых переменных , так и в случае зависимых переменных
.
КАСАТЕЛЬНАЯ ПЛОСКОСТЬ
По аналогии с одномерным случаем (прямая называется касательной к кривой в точке , если расстояние от точки
до этой прямой представляет собой бесконечно малую более высокого порядка, чем
при
. При этом касательная имеет уравнение
) будем называть плоскость касательной к поверхностив точке
, если расстояние от точки
до этой плоскости есть бесконечно малая более высокого порядка, чем
при
.
Пусть дифференцируема в точке
. Существует касательная плоскость к этой поверхности в точке
и она задается уравнением
.