Loading [MathJax]/jax/output/SVG/jax.js

Частные производные высших порядков

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 m1 называется частной производной порядка m(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

Использованная литература

Частные производные высших порядков

Тест на понимание темы «Частные производные высших порядков»

Таблица лучших: Частные производные высших порядков

максимум из 3 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Теорема о смешанных производных

Теорема 1(для функции двух переменных)

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
Пример
Контрпример

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

Пример

Замечание 2

Теорема о смешанных производных

Тест, на понимание темы «Теорема о смешанных производных»

Таблица лучших: Теорема о смешанных производных

максимум из 4 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Односторонние и бесконечные производные

Понятия односторонних и бесконечных производных вводятся аналогично понятиям односторонних и бесконечных пределов.

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.
svg

Тест:

Односторонние и бесконечные производные.

Тест проверки усвоения информации об односторонних и бесконечных производных.


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.
  • Лекции Зои Михайловны Лысенко.

Правило Лопиталя о раскрытии неоднозначностей

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.

Условия:

  1. latex f(x) &s=1 и latex g(x) &s=1 дифференцируемы в проколотой окрестности точки latexa
  2. latex \lim\limits_{x\to a}f(x)=\lim\limits_{x\to a}g(x)=0 &s=1
  3.  latex g'(x) \neq 0 &s=1 в проколотой окрестности точки latexa
  4. 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 latexx latex \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.

Условия:

  1. latexf(x) и latexg(x) дифференцируемы при latexx>a
  2. latex \lim\limits_{x\to\infty}f(x)=\lim\limits_{x\to\infty}g(x)=\infty &s=1
  3. latexg(x)0 при latexx>a
  4. 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 latexa1>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

Расположение всех выбираемых нами точек на прямой

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, поэтому latexε>0δδ2: 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(Aε2)(1+β(x))< latex \frac{f(x)}{g(x)}<(A+\frac{\varepsilon}{2})(1+\beta(x)) &s=1 Используя неравенство latex(), получаем: latex(Aε2)(1+β(x))= latexAε2+(Aε2)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)=3x102x51 , latexg(x)=x34x2+3. Так как  latexlimx1f(x)=limx1g(x)=0, воспользуемся правилом Лопиталя для ситуации latex00. latexf(x)=30x910x4, latexf(1)=20 latexg(x)=3x28x, 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:

  1. Конспект по курсу математического анализа Лысенко З.М.
  2. Тер-Крикоровв А.М., Шабунин М.И. Курс математического анализа -М.:ФИЗМАТ-ЛИТ, 2001.-672 с. гл. IV §19 с. 172-175

Тест на знание правила Лопиталя

Пройдите короткий тест для закрепления материала.