Определение. Пусть функция $$ f \left( x \right) = f \left( x_1, \dots, x_n \right) $$ определена в окрестности точки $ x^0 = \left( x_2^0, \dots, x_n^0 \right) $. Рассмотрим функцию одной переменной $$ \varphi \left( x_1 \right) = f \left( x_1, x_2^0, \dots, x_n^0 \right). $$ Функция $ \varphi \left( x_1 \right) $ может иметь производную в точке $ x_1^0 $. По определению такая производная называется частной производной $ \frac{ \partial f }{ \partial x_1 } \left( x^0 \right) $. Таким образом, $$ \frac{ \partial f }{ \partial x_1 } \left( x^0 \right) = \frac{ \partial f }{ \partial x_1 } \left( x_1^0, \dots, x_n^0 \right) = \\ = \lim\limits_{\Delta x_1 \to 0 } \frac{ f \left( x_1, x_2^0, \dots, x_n^0 \right) — f \left( x_1^0, \dots, x_n^0 \right) }{ \Delta x_1 }, $$ где $ \Delta x_1 = x_1 — x_1^0 $.
Аналогично определяются частные производные (первого порядка) $$ \frac{ \partial f }{ \partial x_i } \left( x_1^0, \dots, x_n^0 \right) , i = \overline{2, n}. $$ Употребляются и другие обозначения для частных производных первого порядка: $$ \frac{ \partial f }{ \partial x_i } \left( x^0 \right) = f_{x_i} \left( x^0 \right) = D_i f \left( x^0 \right) = \\ = {f’}_{x_i} \left( x^0 \right) = \frac{ \partial }{ \partial x_i } f \left( x^0 \right) = \frac{ \partial f \left( x^0 \right) }{ \partial x_i }. $$ Функция двух переменных может иметь в точке $ \left( x^0, y^0 \right) $ две частные производные первого порядка $$ \frac{ \partial f }{ \partial x } \left( x^0, y^0 \right), \frac{ \partial f }{ \partial y } \left( x^0, y^0 \right). $$ Для функции трех переменных — три частные производные первого порядка $$ \frac{ \partial f }{ \partial x } \left( x^0, y^0, z^0 \right), \frac{ \partial f }{ \partial y } \left( x^0, y^0, z^0 \right), \frac{ \partial f }{ \partial z } \left( x^0, y^0, z^0 \right). $$ Поскольку при вычслении частных производных все переменные, кроме одной, фиксируются, то техника вычисления частных производных такая же, как техника вычисления производных функции одной переменной.
Например, $$ \frac{ \partial }{ \partial x } \sqrt{x^2 + y^2} = \frac{ 1 }{ 2 \sqrt{x^2 + y^2} } \frac{ \partial }{ \partial x } \left( x^2 + y^2 \right) = \frac{ x }{ \sqrt{x^2 + y^2} }. $$
Геометрический смысл
Рассмотрим функцию двух переменных $ z = f \left( x, y \right) $, определенную на множестве $ D \subset \mathbb{R}^2 $ и имеющую конечные частные производные $ \frac{ \partial z }{ \partial x } $ и $ \frac{ \partial z }{ \partial y } $ в точке $ M_0 \left( x_0, y_0 \right) $. Чтобы выяснить геометрический смысл частных производных, выполним следующие построения. В плоскости $ Oxy $ отметим точку $ M_0 $.
Затем нарисуем поверхность $ S $, являющуюся графиком функции $ z = f \left( x, y \right) $. Без ограничения общности будем полагать, что поверхность расположена над плоскостью $ Oxy $. Через точку $ M_0 $ проведем плоскость $ y = y_0 $ параллельную коорднатной плоскости $ Oxy $. В сечении поверхности $ S $ этой плоскостью получаем кривую $ \Gamma $. Уравнение этой кривой описывается функцией одной переменной $ z = f \left( x, y_0 \right) $. Так как в точке $ M_0 $ существует частная производная $ {f’}_x \left( x_0, y_0 \right) $, то она согласно геометрическому смыслу обычной производной функции одной переменной равна угловому коэффициенту касательной, проведенной в точке $ N \left( x_0, y_0, f \left( x_0, y_0 \right) \right) $ к кривой $ \Gamma $: $$ {f’}_x \left( x_0, y_0 \right) = \tan \alpha, $$ где $ \alpha $ — угол между касательной и положительным направлением оси $ Ox $. В этом состоит геометрический смысл частной производной $ {f’}_x \left( x_0, y_0 \right) $.
Список литературы
- Тер-Крикоров А.М., Шабунин М.И. Курс математического анализа, стр. 241-242
- Лысенко З. М. Конспект лекций по курсу математического анализа (I курс)
Тест
Тест для проверки усвоения материала
