Разместить заказ
Вы будете перенаправлены на Автор24

Частные производные различных порядков

Все предметы / Математика / Функции нескольких переменных / Частные производные различных порядков
Определение 1

Если для каждой пары $(x,y)$ значений двух независимых переменных из некоторой области ставится в соответствие определенное значение $z$, то говорят, что $z$ является функцией двух переменных $(x,y)$ в данной области.

Обозначение: $z=f(x,y)$.

Пусть дана функция $z=f(x,y)$двух независимых переменных $(x,y)$.

Замечание 1

Так как переменные $(x,y)$ являются независимыми, то одна из них может изменяться, а другая при этом сохранять постоянное значение.

Дадим переменной $x$ приращение $\Delta x$, при этом сохраним значение переменной $y$ неизменным.

Тогда функция $z=f(x,y)$ получит приращение, которое будет называться частным приращением функции $z=f(x,y)$ по переменной $x$.

Обозначение:

\[\Delta _{x} z=f(x+\Delta x,y)-f(x,y)\]
Пример 1

Частная производная по переменной $x$ от заданной функции $z=f(x,y)$ - это предел отношения частного приращения $\Delta _{x} z$ заданной функции к приращению $\Delta x$ при $\Delta x\to 0$.

Обозначение: $z'_{x} ,\, \, f'_{x} (x,y),\, \, \frac{\partial z}{\partial x} ,\, \, \frac{\partial f}{\partial x} $.

Замечание 2

По определению частной производной имеем:

\[\frac{\partial z}{\partial x} =\mathop{\lim }\limits_{\Delta x\to 0} \frac{\Delta _{x} z}{\Delta x} =\mathop{\lim }\limits_{\Delta x\to 0} \frac{f(x+\Delta x,y)-f(x,y)}{\Delta x} .\]

Дадим переменной $y$ приращение $\Delta y$, при этом сохраним значение переменной $x$ неизменным.

Тогда функция $z=f(x,y)$ получит приращение, которое будет называться частным приращением функции $z=f(x,y)$ по переменной $y$.

Обозначение:

\[\Delta _{y} z=f(x,y+\Delta y)-f(x,y).\]

Готовые работы на аналогичную тему

Определение 2

Частная производная по переменной $y$ от заданной функции $z=f(x,y)$ - это предел отношения частного приращения $\Delta _{y} z$ заданной функции к приращению $\Delta y$ при $\Delta y\to 0$.

Обозначение: $z'_{y} ,\, \, f'_{y} (x,y),\, \, \frac{\partial z}{\partial y} ,\, \, \frac{\partial f}{\partial y} $.

Замечание 3

По определению частной производной имеем:

\[\frac{\partial z}{\partial y} =\mathop{\lim }\limits_{\Delta y\to 0} \frac{\Delta _{y} z}{\Delta y} =\mathop{\lim }\limits_{\Delta y\to 0} \frac{f(x,y+\Delta y)-f(x,y)}{\Delta y} .\]
Определение 3

Если для каждой тройки $(x,y,z)$ значений трех независимых переменных из некоторой области ставится в соответствие определенное значение $w$, то говорят, что $w$ является функцией трех переменных $(x,y,z)$ в данной области.

Обозначение: $w=f(x,y,z)$.

Определение 4

Если для каждой совокупности $(x,y,z,...,t)$ значений независимых переменных из некоторой области ставится в соответствие определенное значение $w$, то говорят, что $w$ является функцией переменных $(x,y,z,...,t)$ в данной области.

Обозначение: $w=f(x,y,z,...,t)$.

Для функции от трех и более переменных, аналогично как для функции двух переменных определяются частные производные по каждой из переменных:

  • $\frac{\partial w}{\partial z} =\mathop{\lim }\limits_{\Delta z\to 0} \frac{\Delta _{z} w}{\Delta z} =\mathop{\lim }\limits_{\Delta z\to 0} \frac{f(x,y,z+\Delta z)-f(x,y,z)}{\Delta z} $;

  • $\dots$ ;

  • $\frac{\partial w}{\partial t} =\mathop{\lim }\limits_{\Delta t\to 0} \frac{\Delta _{t} w}{\Delta t} =\mathop{\lim }\limits_{\Delta t\to 0} \frac{f(x,y,z,...,t+\Delta t)-f(x,y,z,...,t)}{\Delta t} $.

Рассматривая частные производные функции двух переменных, можно отметить, что они являются функциями от переменных $x$ и $y$.

В таком случае от каждой частной производной $z'_{x} $ и $z'_{y} $ можно по определениям, приведенным выше, найти частные производные по каждой переменной, которые называются частными производными второго порядка.

Обозначение:

  • $\frac{\partial ^{2} z}{\partial x^{2} } =z''_{xx} =f''_{xx} (x,y)$;

  • $\frac{\partial ^{2} z}{\partial x\partial y} =z''_{xy} =f''_{xy} (x,y)$;

  • $\frac{\partial ^{2} z}{\partial y\partial x} =z''_{yx} =f''_{yx} (x,y)$;

  • $\frac{\partial ^{2} z}{\partial y^{2} } =z''_{yy} =f''_{yy} (x,y)$.

Теорема 1

Пусть заданная функция $z=f(x,y)$ и ее частные производные 1-го порядка определены в некоторой точке $M(x,y)$ (включая некоторую окрестность точки) и непрерывны в ней. Тогда имеет место равенство:

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial x\partial y} =\frac{\partial ^{2} z}{\partial y\partial x} $ ($z''_{xy} =z''_{yx} ;f''_{xy} (x,y)=f''_{yx} (x,y)$).

Определение 5

Определить частные производные 2-го порядка заданной функции:

\[z=x^{2} +y^{3} .\]

Показать выполнение равенства теоремы.

Решение:

По определению частных производных 1-го порядка получим:

$\frac{\partial z}{\partial x} =(x^{2} +y^{3} )'_{x} =2x$ (по переменной $x$),

$\frac{\partial z}{\partial y} =(x^{2} +y^{3} )'_{y} =3y^{2} $ (по переменной $y$).

По определению частных производных 2-го порядка получим:

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial x^{2} } =(x^{2} +y^{3} )''_{xx} =2$ (по переменным $x$ и $x$),

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial y^{2} } =(x^{2} +y^{3} )''_{yy} =6y$ (по переменным $y$ и $y$),

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial x\partial y} =(x^{2} +y^{3} )''_{xy} =0$ (по переменным $x$ и $y$),

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial y\partial x} =(x^{2} +y^{3} )''_{yx} =0$ (по переменным $y$ и $x$).

Так как

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial x\partial y} =0$ и $\frac{\partial ^{2} z}{\partial y\partial x} =0$,

то

\[\frac{\partial ^{2} z}{\partial x\partial y} =\frac{\partial ^{2} z}{\partial y\partial x} .\]

Частные производные 2-го порядка можно продифференцировать по каждой переменной и получить частные производные 3-го порядка.

Обозначение:

Пример 2

Определить частные производные 2-го порядка заданной функции:

\[z=x^{4} y^{3} +y^{3} e^{x} .\]

Решение:

По определению частных производных 1-го порядка получим:

$\frac{\partial z}{\partial x} =(x^{4} y^{3} +y^{3} e^{x} )'_{x} =4x^{3} y^{3} +y^{3} e^{x} $ (по переменной $x$),

$\frac{\partial z}{\partial y} =(x^{4} y^{3} +y^{3} e^{x} )'_{y} =3y^{2} $ (по переменной $y$).

По определению частных производных 2-го порядка получим:

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial x^{2} } =(x^{4} y^{3} +y^{3} e^{x} )''_{xx} =12x^{2} y^{3} +y^{3} e^{x} $ (по переменным $x$ и $x$),

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial y^{2} } =(x^{4} y^{3} +y^{3} e^{x} )''_{yy} =6y$ (по переменным $y$ и $y$),

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial x\partial y} =(x^{4} y^{3} +y^{3} e^{x} )''_{xy} =12x^{3} y^{2} +3y^{2} e^{x} $ (по переменным $x$ и $y$),

$\frac{\partial ^{2} z}{\partial y\partial x} =(x^{4} y^{3} +y^{3} e^{x} )''_{yx} =0$ (по переменным $y$ и $x$).

По определению частных производных 3-го порядка получим:

\[\frac{\partial ^{3} z}{\partial x^{3} } =(12x^{2} y^{3} +y^{3} e^{x} )'_{x} =24xy^{3} +y^{3} e^{x} , \frac{\partial ^{3} z}{\partial y^{3} } =(6y)'_{y} =6,\] \[\frac{\partial ^{3} z}{\partial x\partial y\partial x} =(12x^{3} y^{2} +3y^{2} e^{x} )'_{x} =36x^{2} y^{2} +3y^{2} e^{x} , \frac{\partial ^{3} z}{\partial x\partial y^{2} } =(12x^{3} y^{2} +3y^{2} e^{x} )'_{y} =24x^{3} y+6ye^{x} ,\] \[\frac{\partial ^{3} z}{\partial y\partial x^{2} } =0, \frac{\partial ^{3} z}{\partial y\partial x\partial y} =0,\] \[\frac{\partial ^{3} z}{\partial x^{2} \partial y} =(12x^{2} y^{3} +y^{3} e^{x} )'_{y} =36x^{2} y^{2} +3y^{2} e^{x} , \frac{\partial ^{3} z}{\partial y^{2} \partial x} =(6y)'_{x} =0.\]

Поочередно выполняя дифференцирование частных производных далее, можно получить частные производные порядка $n$.

Обозначение:

Сообщество экспертов Автор24

Автор этой статьи

Автор статьи

Ирина Алексеевна Антоненко

Эксперт по предмету «Математика»

Статья предоставлена специалистами сервиса Автор24
Автор24 - это сообщество учителей и преподавателей, к которым можно обратиться за помощью с выполнением учебных работ.
как работает сервис