Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП
Глава 2 ФУНКЦИИ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ
Лекция 2 ФНП, предел, непрерывность,
частные производные и дифференциал
Что главное мы узнали на прошлой лекции
Были изучены несобственные интегралы с неограниченной областью интегрирования и неограниченными функциями.
Что мы узнаем на этой лекции
Мы приступим к изучению функций, зависящих от нескольких аргументов. Выясним, что понимается под аргументом ФНП как такие понятия, как предел, непрерывность, производная вводятся для ФНП.
Евклидово пространство
Вспомним некоторые важные понятия, изученные в 1 семестре. Мы познакомились с векторами на плоскости и в пространстве. Векторы на плоскости обладают рядом важных свойств. Для них введены операции сложения векторов и умножения вектора на число. Результатом этих операций являются вектора на плоскости, причем справедливы следующие 8 свойств: 1) - коммутативность, 2)
- ассоциативность, 3)
- существование нулевого элемента, 4)
существование противоположного элемента
, 5)
,
6) дистрибутивность для числовых коэффициентов,
7) - дистрибутивность для векторов, 8)
.
Определение 1. Множество элементов произвольной природы называется векторным пространством или линейным векторным пространством, если для этих элементов введены операции сложения и умножения на действительное число, причем для этих операций справедливы 8 свойств, указанных для операций с геометрическими векторами.
Пусть заданы векторы ,
,…,
векторного пространства и числа
,
,…,
. Величина
(1)
называется линейной комбинацией заданных векторов ,
,…,
. При этом числа
,
,…,
называются коэффициентами линейной комбинации (1). Очевидно, что линейная комбинация векторов равна
(нулевому вектору), если все коэффициенты линейной комбинации равны 0.
Определение 2. Система векторов ,
,…,
называется линейно независимой системой векторов, если из равенства
ее линейной комбинации следует, что все коэффициенты этой линейной комбинации равны 0.
Определение 3. Линейно независимая система векторов линейного векторного пространства ,
,…,
называется базисом этого векторного пространства, если каждый его вектор является линейной комбинацией векторов
,
,…,
. При этом коэффициенты этой линейной комбинации определяются однозначно и называются координатами вектора в этом базисе.
Мы знаем, что для геометрических векторов справедливы следующие свойства скалярного произведения:
1) , 2)
,
3) , 4)
,
.
Определение 4. Пусть в линейном векторном пространстве введена операция, ставящая в соответствие двум векторам число. Такое соответствие, удовлетворяющее условиям 1) – 4) называется скалярным произведением векторов и обозначается символом или
.
Определение 5. Линейное векторное пространство с введенным скалярным произведением называется евклидовым пространством
.
Можно доказать, что элементов базиса линейного векторного пространства не зависит от выбора базиса. Это число и называется размерностью такого пространства. Линейное пространство может быть бесконечно мерным.
Отметим, что -мерные векторные и евклидовы пространства обозначаются соответственно символами
и
.
Мы знаем, что наиболее удобными базисами на плоскости и в пространстве являются системы взаимно перпендикулярных векторов единичной длины. Евклидовы пространства замечательны тем, что при наличии произвольного базиса из векторов можно с помощью разрешенных линейных операций создать ортонормированный базис.
Определение 6. Базис в евклидовом линейного векторного пространства ,
,…,
называется ортонормированным базисом, если
Функции многих переменных. Предел и непрерывность ФМП
Под функцией мы понимаем отображение одного множества на другое. До сих пор мы рассматривали функцию вида , которая реализовывала отображение множества на оси абсцисс (область определения функции) на множество на оси ординат (множество значений функции
).
Под функцией нескольких переменных мы будем понимать отображение множества в -мерном евклидовом пространстве
(область определения функции) на множество на оси (множество значений функции). Тем самым функция нескольких переменных может быть записана в виде
, где
- элемент евклидова пространства. Можно использовать запись
.
Изучая функцию одной переменной , мы изучали числовые последовательности, предел числовой последовательности, предел функции, непрерывность функции, точки экстремума функции.
Наша цель – построить и изучить аналогичную теорию для ФМП. Этот раздел посвящен вопросам, связанным с пределами и непрерывностью функций.
Давайте вспомним, что такое предел функции одной переменной. Предел функции (по Коши) при
, стремящимся к
, равен
, если для каждого, сколь угодно малого положительного числа
найдется положительное число
, обладающее следующим свойством. Если расстояние от точки
до не равной ей точки
меньше
, то модуль разности чисел
и
меньше наперед заданного числа
(
).
Для того, чтобы дать это и аналогичные определения для ФМП, надо ввести расстояние между точками – аргументами ФНП (=ФМП). Это делают следующим образом. Пусть начало координат с ортонормированным базисом находится в точке и заданы две точки
и
. Рассмотрим векторы
,
и определим скалярное произведение этих векторов формулой
. Несложно проверить, что все свойства скалярного произведения выполнены. Именно так и принято вводить скалярное произведение в евклидовом пространстве.
При наличии скалярного произведения, которое гарантированно есть в евклидовом пространстве, можно ввести длину вектора и расстояние между точками евклидова пространства, что позволяет обобщить понятия предела последовательности, предела функции, непрерывности функции на случай ФНП.
Длиной вектора мы назовем квадратный корень из его скалярного квадрата, т. е.
. Расстоянием между точками
и
равно длине вектора
, их соединяющего, т. е.
.
Заметим, что это определение обобщает обычное расстояние между точками на плоскости и в пространстве, известные нам из школы.
Пример 1. Расстояние между точками и
на плоскости равно длине вектора
, их соединяющего, т. е.
. Расстояние между точками
и
в пространстве равно длине вектора
, их соединяющего, т. е.
.
Сформулируем определение предела для последовательности точек в евклидовом пространстве.
Определение 1. Пусть задана последовательность точек ,
,…,
,…. Мы будем говорить, что число
является пределом этой последовательности, т. е.
, если для каждого, сколь угодно малого положительного числа
найдется номер
, зависящий от
, такой что при выполнении условия
выполнено условие
. (
).
Пример 2. Заметим, что условию удовлетворяют точки
-окрестности точки
. В одномерном случае для функции одной переменной окрестностью точки на оси является интервал длины
. Для плоскости – пространства размерности 2 такой
-окрестностью является внутренность круга радиуса
. Для реально пространства – пространства размерности 3 такой
-окрестностью является внутренность шара радиуса
.
Сформулируем определение предела для ФНП.
Определение 2. Пусть задана функция переменных
где
- элемент евклидова пространства. Мы будем говорить, что число
является пределом этой функции, т. е.
, если для каждого, сколь угодно малого положительного числа
найдется положительное число
, обладающее следующим свойством. Если расстояние от точки
до не равной ей точки
меньше
, то модуль разности чисел
и
меньше
. Формально это записывается в виде:
.
Это определение соответствует определению предела функции одной переменной по Коши, которое эквивалентно определению предела функции по Гейне. Формулировка определения предела функции по Гейне, которая сохраняется для функции нескольких переменных, заключается в записи
. Смысл этого в том, что
означает с учетом области определения, что из того, что предел последовательности аргументов равен
, следует, что предел соответствующих значений функции равен
.
Перейдем к определению непрерывности ФНП. Здесь полностью сохраняются формулировки определения непрерывности для функции одной переменной. Функция непрерывна в точке, если предел функции при подходе к этой точке равен значению функции в этой точке. Запишем это формально.
Определение 3. Пусть задана функция переменных
где
- элемент евклидова пространства. Мы будем говорить, что функция
непрерывна в точке
, если
.
Соответственно функция непрерывна на множестве, если она непрерывна в каждой точке этого множества.
Пример 3. Найдите пределы функций: а) , б)
и исследуйте функции в)
, г)
на непрерывность.
Решение. Докажем, что не существует. В самом деле, пусть мы приближаемся к предельной точке
по прямой
. На этой прямой значение функции
равно
, т. е. во всех точках, кроме предельной, равно
. Эта величина зависит от
, следовательно,
не существует.