Частные производные высших порядков определяются при помощи индукции. Если говорить неформально, то каждая частная производная порядка больше чем 1 определяется, как производная от производной предыдущего порядка.
Определение
Частная производная (по независимым переменным) от частной производной порядка m−1 называется частной производной порядкаm(m=1,2,…).
Частная производная, полученная с помощью дифференцирования по разным переменным, называется смешанной частной производной.
Частные производные высших порядков сохраняют все те же свойства, что и обычные частные производные.
Пример
Пусть дана функция f(x,y,z).
Частной производной первого порядка по x будет dfdx.
Частной производной второго порядка по x будет d2fdx2
Смешанной производной третьего порядка будет d3fdx2dy
Геометрический смысл частной производной
Спойлер
Пусть нам дана функция [latex]z(x,y)[/latex], которая имеет частную производную в точке M0(x0,y0). Пусть на рисунке изображена поверхность графика функции z. Проведем плоскость y=y0. Плоскость пересечет поверхность по линии [latex]T{ P }_{ 0 }[/latex]. Проведем касательную P0A к линии P0T. Прямая P0A образует угол α с осью Ox. Тангенс угла наклона к оси Ox касательной к графику функции f(x,y0) в точке x0 и есть частная производная по x функции z в точке M0(x0,y0). \tgα=dz(x0,y0)dx=f′x(M0)
Тест на понимание темы «Частные производные высших порядков»
Вы уже проходили тест ранее. Вы не можете запустить его снова.
Тест загружается...
Вы должны войти или зарегистрироваться для того, чтобы начать тест.
Вы должны закончить следующие тесты, чтобы начать этот:
Результаты
Правильных ответов: 0 из 3
Ваше время:
Время вышло
Вы набрали 0 из 0 баллов (0)
Рубрики
Нет рубрики0%
Ваш результат был записан в таблицу лидеров
Загрузка
1
2
3
С ответом
С отметкой о просмотре
Задание 1 из 3
1.
Количество баллов: 1
Вставьте пропущенные слова.
Частная производная, полученная с помощью дифференцирования по разным переменным, называется (смешанной) частной производной. Частная производная, полученная с помощью дифференцирования по одной переменной, называется (чистой) частной производной
Правильно
Неправильно
Задание 2 из 3
2.
Количество баллов: 1
Выставьте производные функции z, в порядке их образования.
dzdx
dzdxdy
dzdxdy4
Правильно
Неправильно
Задание 3 из 3
3.
Количество баллов: 1
Будет ли производная dzdt смешанной производной функции z?
Правильно
Неправильно
Таблица лучших: Частные производные высших порядков
Пусть функция f(x,y) определенна со своими частными производными fx,fy,fxy,fyx в некоторой окрестности точки (x0,y0), и при этом fxy и fyx непрерывны в этой точке. Тогда эти производные равны ( результат не зависит от порядка дифференцирования). fxy(x0,y0)=fyx(x0,y0)
Доказательство
Пусть f(x,y) определенна со своими частными производными fx,fy,fxy,fyx в некоторой δ−окрестности точки (x0,y0) и пусть Δx и Δy зафиксированы так, что образуют шар с радиусом δ(Δx2+Δy2<δ2). (Под Δx будем понимать приращение функции f по аргументу x. Аналогично определим Δy)
Положим: Δxyf=Δx(Δyf),Δyxf=Δy(Δxf)
и докажем, что Δxyf=Δyxf
Действительно, Δxyf=Δx(Δyf)=Δx[f(x0,y0+Δy)−f(x0,y0)]==[f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0+Δx,y0)]−−[f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0+Δx,y0)]
(т.е. Δxyf это приращение функции f сперва по y а затем по x)
Аналогично Δyxf=Δy(Δxf)==[f(x0+Δx,y0+Δy)−f(x0,y0+Δy)]−−[f(x0+Δx,y0)−f(x0,y0)]
Сравнивая (???) и (???), убедимся в справедливости (???).
Положим приращение функции f по переменной y как функцию одной переменной по x. Пусть φ(x)=f(x,y0+Δy)−f(x,y0). Тогда Δxyf можно записать в виде: Δxyf=φ(x0+Δx)−φ(x0)
Так как , по условию существует производная fx то функция φ(x) дифференцируема на отрезке [x0,x0+Δx]
Воспользуемся теоремой Лагранжа о конечных приращениях, получим: Δxyf=φ(x0+Δx)−φ(x0)=φ′(x0+θ1Δx)Δx,0<θ1<1
А поскольку φ(x) функция по переменной x, то ее производная будет: φ′(x)=fx(x,y0+Δy)−fx(x,y0)
тогда мы можем записать Δxyf как Δxyf=[fx(x0+θ1Δx,y0+Δy)−fx(x0+θ1Δx,y0)]Δx
Применим опять формулу конечных приращений Лагранжа, но теперь по переменной y, получим: Δxyf=fxy(x0+θ1Δx,y0+θ2Δy)ΔxΔy,0<θ1,θ2<1
Сделаем абсолютно аналогичные действия, но уже начнем с переменно x. Т.е, положим приращение f по переменной x в функцию одной переменной по y ψ(y)=f(x0+Δx,y)−f(x0,y)
Также выразим Δyxf через ψ(y), затем применим дважды формулу конечных приращений Лагранжа ( сначала по y, затем по x ). В итоге получим: Δyxf=fyx(x0+θ4Δx,y0+θ3Δy)ΔxΔy,0<θ3,θ4<1
Согласно равенству (2) правые части равенств равны. Приравняем их и сократим на ΔxΔy (т.к. Δx≠0 и Δy≠0), получим fxy(x0+θ1Δx,y0+θ2Δy)=fyx(x0+θ4Δx,y0+θ3Δy),0<θ1,θ2,θ3,θ4<1
Так как частные производные fxy и fyx непрерывны в точке (x0,y0), перейдем к пределу. Так как θi-бесконечно малая то в итоге получим: fxy(x0,y0)=fyx(x0,y0),
что и требовалось доказать.
[свернуть]
Пример
Найти смешанные производные второго порядка функции z=x4−2x2y3+y5+1
z′x=4x3−4xy3
z′y=5y4−6x2y2
z′yx=−12xy2z′xy=−12xy2⇒z′yx=z′xy
[свернуть]
Контрпример
(пример Шварца):
f(x,y)={xyx2−y2x2+y2x2+y2>00x=y=0
fxy(0,0)=−1fyx(0,0)=1
[свернуть]
Теперь сформулируем общую теорему. Ее можно несложно доказать с помощью индукции.
Теорема 2 (обобщение)
Если у функции n переменных смешанные частные производные m-го порядка непрерывны в некоторой точке, а производные низших порядков непрерывны в окрестности этой точки, то частные производные порядка m не зависят от порядка дифференцирования.
Замечание 1
Данная теорема справедлива ввиду того, что любые две последовательности дифференцирования, такие, что по каждому фиксированному аргументу они содержат одно и то же суммарное число дифференцирований, можно свести один к другому за конечное число шагов. При этом, в каждом шаге будет меняться порядок дифференцирования лишь по двум переменным, а другие останутся фиксированными. Т.е. каждый раз мы будем рассматривать изменение порядка дифференцирования лишь для двух переменных — а значит будет выполняться Теорема 1.
[свернуть]
Пример
Докажем что fxyz=fzxy
Последовательно меняем порядок дифференцирования, применяя Теорему 1: fxyz=(fx)yz=(fx)zy=(fxz)y=(fzx)y=fzxy
[свернуть]
Замечание 2
На первый взгляд, кажется что теорема практически бесполезна. Якобы, что для того, чтобы установить равенство смешанных производных — надо утверждать их непрерывность, а для этого их требуется найти. А найдя смешанные производные, не составляет труда и так проверить их на равенство. Однако, о непрерывности функции можно иногда судить на основании некоторых общих теорем, не прибегая к конкретному вычислению. Например, мы знаем, что все элементарные функции многих переменных непрерывны в своей области определения. С другой стороны, частные производные элементарных функций сами являются элементарными, поэтому,если частная производная некоторой элементарной функции определена на некоторой окрестности какой-либо точки, то эта производная и непрерывна в каждой точке данной окрестности.
Определение: Если функция [latex]y = f(x)[/latex], непрерывна слева в точке [latex]x_{0}[/latex], то есть [latex]\lim\limits_{x \to x_{0} — 0} f(x) = f(x_{0})[/latex] и [latex]\exists \lim\limits_{\Delta x \to -0} \frac{\Delta y}{\Delta x}[/latex], то этот предел называют левой производной функции [latex]y[/latex] в точке [latex]x_{0}[/latex].
Левая производна кратко записывается [latex]{f_{-}}'(x_{0})[/latex].
Определение: Если функция [latex]y = f(x)[/latex], непрерывна справа в точке [latex]x_{0}[/latex], то есть [latex]\lim\limits_{x \to x_{0} + 0} f(x) = f(x_{0})[/latex] и [latex]\exists \lim\limits_{\Delta x \to +0} \frac{\Delta y}{\Delta x}[/latex], то этот предел называют правой производной функции [latex]y[/latex] в точке [latex]x_{0}[/latex].
Правая производна кратко записывается [latex]{f_{+}}'(x_{0})[/latex].
Определение: Прямая проходящая через точку [latex](x_{0}, f(x_{0}))[/latex], с угловым коэффициентом [latex]{f_{-}}'(x_{0})[/latex], называется левой касательной к графику функции [latex]y[/latex] в точке [latex](x_{0}, f(x_{0}))[/latex].
Определение: Прямая проходящая через точку [latex](x_{0}, f(x_{0}))[/latex], с угловым коэффициентом [latex]{f_{+}}'(x_{0})[/latex], называется правой касательной к графику функции [latex]y[/latex] в точке [latex](x_{0}, f(x_{0}))[/latex].
Определение: Если функция [latex]y=f(x)[/latex], непрерывна в точке [latex]x_{0}[/latex] и [latex]\exists \lim\limits_{\Delta x \to 0} = \pm \infty[/latex], тогда производная [latex]{f}'(x_{0})[/latex] называется бесконечной производной.
Замечание: Геометрическое истолкование производной как углового коэффициента касательной распространяется и на случай бесконечной производной; но здесь — касательная оказывается параллельной оси [latex]Oy[/latex]. В случаях a и b эта производная равна, соответственно, [latex]+\infty[/latex] и [latex]-\infty[/latex] (обе односторонние производные совпадают по знаку); в случаях c и d односторонние производные разнятся знаком.
Тест:
Односторонние и бесконечные производные.
Лимит времени: 0
Навигация (только номера заданий)
0 из 4 заданий окончено
Вопросы:
1
2
3
4
Информация
Тест проверки усвоения информации об односторонних и бесконечных производных.
Вы уже проходили тест ранее. Вы не можете запустить его снова.
Тест загружается...
Вы должны войти или зарегистрироваться для того, чтобы начать тест.
Вы должны закончить следующие тесты, чтобы начать этот:
Результаты
Правильных ответов: 0 из 4
Ваше время:
Время вышло
Вы набрали 0 из 0 баллов (0)
Средний результат
Ваш результат
Рубрики
Математический анализ0%
Ваш результат был записан в таблицу лидеров
Загрузка
максимум из 10 баллов
Место
Имя
Записано
Баллы
Результат
Таблица загружается
Нет данных
1
2
3
4
С ответом
С отметкой о просмотре
Задание 1 из 4
1.
Найдите правостороннюю производную функции [latex]y = x^{\frac{2}{3}}[/latex] в точке 0.
Правильно
Неправильно
Задание 2 из 4
2.
Найдите левостороннюю и правостороннюю производные функции [latex]y = |x|[/latex].
Правильно 2 / 2Баллы
Неправильно / 2 Баллы
Задание 3 из 4
3.
Найдите левостороннюю касательную к графику функции [latex]y = \sqrt x[/latex] в точке [latex]x_{0}=0[/latex].
Правильно
Неправильно
Задание 4 из 4
4.
Расположите разносторонние производные функций в порядке возрастания.
(x23)′−,x0=0
|x|′−,x0=0
|x|′+,x0=0
(x23)′+,x0=0
Правильно
Неправильно
Таблица лучших: Односторонние и бесконечные производные.
максимум из 10 баллов
Место
Имя
Записано
Баллы
Результат
Таблица загружается
Нет данных
Список литературы:
Курс лекций по математическому анализу в двух частях Часть 1. В.И.Коляда, А.А.Кореновский стр. 110-111.
Метод нахождения пределов функций, раскрывающий неопределённости вида latex00 или latex∞∞ Правило позволяет заменить предел отношения функций пределом отношения их производных.
1. Докажем теорему для случая, когда пределы функций равны нулю.
Существует latex \lim\limits_{x\to a}\frac{f'(x)}{g'(x)} &s=1
Вывод: Тогда существует latex \lim\limits_{x \rightarrow a} \frac{f(x)}{g(x)} = \lim\limits_{x \rightarrow a} \frac{f'(x)}{g'(x)} &s=1
Доказательство: Доопределим функции в точке latexa нулём. Из 1 условия следует, что latexf(x) и latexg(x)непрерывны на отрезке latex[a,x], где latexx принадлежит рассматриваемой окрестности точки latexa. Применим обобщённую формулу конечных приращений (Коши) к latexf(x) и latexg(x) на отрезке latex[a,x]latex \exists \xi\in [a,x]:\frac{f(x)-f(a)}{g(x)-g(a)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)}&s=1 Так как latexf(a)=g(a)=0 получим, что latex∀xlatex \exists \xi \in [a,x]:\frac{f(x)}{g(x)}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)} &s=1 Пусть предел отношения производных равен latexA. Следовательно: latex \lim\limits_{x \to a} \frac{f'(\xi(x))}{g'(\xi(x))}=\lim\limits_{y \to a} \frac{f'(y)}{g'(y)}=A &s=1, так как latex \lim\limits_{x \to a} \xi(x)=a &s=1
2. Докажем теорему для случая, когда пределы функций равны бесконечности.
Существует конечный latex \lim\limits_{x\to\infty}\frac{f'(x)}{g'(x)}=A &s=1
Вывод: Тогда существует latex \lim\limits_{x\to\infty}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim\limits_{x\to\infty}\frac{f'(x)}{g'(x)} &s=1 Доказательство: Из условия 2 следует, что latex∃a1>a:∀x>a1→|f(x)|>1,|g(x)|>1, и поэтому latexf(x)≠0,g(x)≠0 при latexx>a1. По определению предела (условие 4) для заданного числа latexε>0 можно найти latexδ1=δ1(ε)≥a1 такое, что для всех latext>δ1 выполняется неравенство: latex A-\frac{\varepsilon}{2}<\frac{f'(t)}{g'(t)}<A+\frac{\varepsilon}{2} &s=1 Фиксируя latexx0>δ1 выберем, пользуясь условием 2 число latexδ2>x0
такое, чтобы при всех latexx>δ2 выполнялись неравенства: latex \left |\frac{f(x_{0})}{f(x)}<\frac{1}{2}\right | &s=1 и latex \left |\frac{g(x_{0})}{g(x)}<\frac{1}{2}\right | &s=1 Для доказательства теоремы нужно доказать, что существует такое latexδ, что при всех latexx>δ выполняется неравенство:latex A-\varepsilon<\frac{f(x)}{g(x)}<A+\varepsilon (*) &s=1 Число latexδ будет выбрано ниже. Считая, что latexx>δ, применим к функциям latexf и latexg на отрезке latex[x;x0]обобщённую формулу конечных приращений (Коши). latex \exists \xi \in [x_{0};x]: \frac{f(x)-f(x_{0})}{g(x)-g(x_{0})}=\frac{f'(\xi)}{g'(\xi)} &s=1 Преобразуем левую часть неравенства: latex \frac{f(x)-f(x_{0})}{g(x)-g(x_{0})}=\frac{f(x)}{g(x)}(\varphi(x))^{-1} &s=1, где latex \varphi(x)=\frac{1-\frac{g(x_{0})}{g(x)}}{1-\frac{f(x_{0})}{f(x)}}=1+\beta(x) &s=1 Заметим, что latexβ(x)→0 при latexx→+∞ в силу условия 2, поэтомуlatex∀ε>0∃δ≥δ2:latex \forall x>\delta\to|\beta(x)|<\frac{\frac{\varepsilon}{2}}{|A|+ \frac{\varepsilon}{2}}(**) &s=1 Так как latexξ>x0>δ1, то для всех latexx>δ2 выполняется неравенство: latex A-\frac{\varepsilon}{2}<\frac{f(x)}{g(x)} (\varphi(x))^{-1}<A+\frac{\varepsilon}{2} &s=1 Если latexx>δ, то latexφ(x)>0, и поэтому неравенство равносильно следующему: latex(A−ε2)(1+β(x))<latex \frac{f(x)}{g(x)}<(A+\frac{\varepsilon}{2})(1+\beta(x)) &s=1 Используя неравенство latex(∗∗), получаем: latex(A−ε2)(1+β(x))=latexA−ε2+(A−ε2)β(x)≥latex (A-\frac{\varepsilon}{2})-&s=1-(|A|+\frac{\varepsilon}{2})|\beta(x)|>latex A-\frac{\varepsilon}{2}-\frac{\varepsilon}{2}=A-\varepsilon &s=1 Аналогично находим: latex(A+ε2)(1+β(x))≤latex A+\frac{\varepsilon}{2}+(|A|+\frac{\varepsilon}{2})|\beta(x)|< A+\varepsilon &s=1
Таким образом для всех latexx>δ выполняется неравенство latex(∗), а это означает, что справедливо утверждение: latex \lim\limits_{x\to\infty}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim\limits_{x\to\infty}\frac{f'(x)}{g'(x)} &s=1
Примеры:
Пример 1. Найти latex \lim\limits_{x \to 1}\frac{3x^{10}-2x^{5}-1}{x^{3}-4x^{2}+3} &s=1 Обозначим latexf(x)=3x10−2x5−1 , latexg(x)=x3−4x2+3. Так как latexlimx→1f(x)=limx→1g(x)=0, воспользуемся правилом Лопиталя для ситуации latex00. latexf′(x)=30x9−10x4, latexf′(1)=20latexg′(x)=3x2−8x, latexg′(1)=−5 По доказанной теореме: latex \lim\limits_{x\to1}\frac{f(x)}{g(x)}=\lim\limits_{x\to1}\frac{f'(x)}{g(x’)}=\frac{20}{-5}=-4 &s=1
Ответ: -4.
Пример 2. Доказать, что [latex] \lim\limits_{x\to\infty}\frac{\ln x}{x^{\alpha}}=0,\alpha>0 [/latex]
Применяя правило Лопиталя для ситуации latex∞∞, получим: [latex]\lim\limits_{x\to\infty}\frac{\ln x}{x^{\alpha}}=[/latex][latex]\lim\limits_{x\to\infty}\frac{\frac{1}{x}}{\alpha x^{\alpha-1}}=[/latex][latex] \lim\limits_{x\to\infty}\frac{1}{\alpha x^{\alpha}}=0[/latex]
Доказано.
Источники:
Конспект по курсу математического анализа Лысенко З.М.