background image

 

45

VI. FUNKCJA WIELU ZMIENNYCH 
 
6.1 Pochodna cząstkowa. 
 
Niech dana będzie funkcja 

(

)

z

x

x

x

f

n

=

,...,

,

2

1

; wówczas symbolami:  

( )

( )

( )

y

x

f

x

f

y

x

f

x

f

y

x

f

x

f

n

x

n

x

x

,

...

,

,

'

'

2

'

1

2

1

 określamy tzw. pochodne cząstkowe 

funkcji „f” względem odpowiedniej zmiennej x

1

, x

2

,…,x

n

Sposób obliczania funkcji pochodnych jest analogiczny do przypadku funkcji jednej 
zmiennej; chcąc wyznaczyć funkcję pochodną do danej funkcji względem i – tej zmiennej, 
pozostałe zmienne traktujemy jako „stałe”. 

Rozpatrzmy funkcję dwóch zmiennych: 

( )

z

y

x

f

=

,

; np. 

( )

4

4

,

2

2

y

x

y

x

f

+

=

 (poniższy 

wykres) 

y

x

x

x

2

1

;

 

 
Rozpatrzmy pochodne cząstkowe tej funkcji: 

ƒ

 

x

x

f

2

1

=

, np. wybierzmy 

1

0

=

y

 (tutaj można wybrać dowolną wartość), wówczas 

otrzymamy wzór funkcji jednej zmiennej „x” – jest to krawędź powstała przez 
przecięcie naszej funkcji 

( )

z

y

x

f

=

,

 płaszczyzną równoległą do płaszczyzny XZ w 

1

0

=

y

 (wykres poniżej) 

 
 
 
 

background image

 

46

wykres 

(

)

4

1

4

1

1

,

2

+

=

=

x

y

x

f

 

 

 

 

 

interpretacja geometryczna jest analogiczna  jak dla funkcji jednej zmiennej; tzn. 

x

x

f

2

1

=

 

jest „przepisem” na tangens kąta zawartego pomiędzy styczną do krzywej 

(

)

4

4

,

2

0

2

0

y

x

y

x

f

+

=

” (krzywą wyznaczamy poprzez ustalenie - wybranie wartości „y

0

”, np. 

tutaj 1

0

=

y

) w punkcie 

(

)

0

0

z

x

, a dodatnią półosią osi X; 

ƒ

   

y

y

f

2

1

=

 np. wybierzmy 

1

0

=

x

 (tutaj można wybrać dowolną wartość), wówczas 

otrzymamy wzór funkcji jednej zmiennej „y” – jest to krawędź powstała przez 
przecięcie naszej funkcji 

( )

z

y

x

f

=

,

 płaszczyzną równoległą do płaszczyzny YZ w 

1

0

=

x

 (wykres poniżej)  

wykres 

(

)

2

4

1

4

1

,

1

y

y

x

f

+

=

=

 

 

(

)

1

;

=

y

x

f

 

(

)

y

x

f

;

1

=

 

x

dx

df

tg

2

1

=

=

α

 

α

 

y

dy

df

tg

2

1

=

=

β

 

β

 

background image

 

47

interpretacja geometryczna jest analogiczna  jak dla funkcji jednej zmiennej; tzn. 

y

y

f

2

1

=

 

jest „przepisem” na tangens kąta zawartego pomiędzy styczną do krzywej 

(

)

4

4

,

2

2

0

0

y

x

y

x

f

+

=

” ( krzywą wyznaczamy poprzez ustalenie - wybranie wartości „x

0

”, np. 

tutaj 1

0

=

x

) w punkcie 

(

)

0

0

z

y

, a dodatnią półosią osi Y; 

 
 
 
Ćwiczenia: 
 
Określ wzór pochodnych cząstkowych do poniższych funkcji: 

( )

( )

( )

( )

2

2

;

cos

sin

;

sin

cos

;

;

y

x

e

y

x

f

y

x

y

x

f

x

y

y

x

y

x

f

y

x

xy

y

x

f

xy

=

=

=

+

=

 
6.2 Pochodna cząstkowa wyższych rzędów. 
 
Pochodnymi cząstkowymi drugiego rzędu funkcji 

( )

z

y

x

f

=

,

 nazywamy funkcje określone 

nst.: 

x

y

f

y

x

f

y

f

x

f

2

2

2

2

2

2

;

;

;

; dwie ostatnie nazywa się również pochodnymi 

mieszanymi. 
Np.: 

( )

2

;

xy

e

y

x

f

=

 

=

2

2

y

e

x

f

xy

        

4

2

2

2

2

2

2

2

0

y

e

e

y

y

e

x

f

x

x

f

xy

xy

xy

=

+

=

=

 

=

xy

e

y

f

xy

2

2

       

2

2

2

2

2

4

2

2

2

2

2

2

2

xy

xy

xy

xy

e

x

y

x

e

x

e

xy

xy

e

y

f

y

y

f

+

=

+

=

=

 

=

y

x

f

y

e

xy

e

y

e

y

xy

e

x

f

y

xy

xy

xy

xy

2

2

2

2

2

2

2

2

3

2

+

=

+

=

 

y

e

xy

e

y

e

xy

y

e

y

f

x

x

y

f

xy

xy

xy

xy

2

2

2

2

2

2

2

2

3

2

+

=

+

=

=

 

 
Ćwiczenia: 
 
Oblicz pochodne drugiego rzędu (wszystkie) nst. funkcji: 

( )

(

)

( )

xy

y

x

f

y

x

y

x

f

sin

;

;

;

3

2

2

=

+

=

 

 
 
6.3 Ekstremum lokalne funkcji dwóch zmiennych. 
 
Warunek konieczny: 
Jeżeli funkcja 

( )

z

y

x

f

=

;

 ma w punkcie 

(

)

0

0

0

y

x

P

=

 ekstremum lokalne i istnieją w tym 

punkcie obie pochodne cząstkowe pierwszego rzędu, to: 

( )

( )

0

0

0

=

=

P

P

y

f

x

f

; przy czym punkt 

(

)

0

0

0

y

x

P

=

 nazywamy punktem stacjonarnym. 

background image

 

48

 
Warunek dostateczny (wystarczający): 

Jeżeli istnieją drugie pochodne funkcji 

( )

z

y

x

f

=

;

 oraz 

( )

0

0

0

0

0

2

2

2

2

2

2

0

>

=

P

P

P

P

y

f

x

y

f

y

x

f

x

f

P

W

, to 

funkcja 

( )

z

y

x

f

=

;

 ma w punkcie 

(

)

0

0

0

y

x

P

=

 ekstremum lokalne. 

ƒ

  Jeżeli 

0

2

2

<

x

f

, to funkcja 

( )

z

y

x

f

=

;

 ma w punkcie 

(

)

0

0

0

y

x

P

=

 maksimum 

ƒ

  Jeżeli 

0

2

2

>

x

f

,  to funkcja 

( )

z

y

x

f

=

;

 ma w punkcie 

(

)

0

0

0

y

x

P

=

 minimum 

ƒ

  Jeżeli 

( )

0

0

<

P

W

, to ekstremum nie istnieje 

ƒ

  Jeżeli 

( )

0

0

=

P

W

, to sytuacja jest nierozstrzygnięta 

 
Przykład

: zbadać ekstremum lokalne funkcji 

( )

x

y

x

y

x

f

4

;

2

4

+

=

 

 
1. stosujemy warunek konieczny istnienia ekstremum: 

0

4

4

3

=

=

x

x

f

 i 

0

2

=

=

y

y

f

(

) ( )

0

;

1

;

0

2

0

4

4

0

0

0

3

=

=

=

=

y

x

P

y

x

 

2. stosujemy warunek dostateczny istnienia ekstremum: 

( )

( )

12

12

0

;

1

2

2

2

0

=

=

x

x

f

P

    

( )

( )

2

2

0

;

1

2

2

0

=

=

P

y

f

    

( )

( )

0

0

0

;

1

2

0

=

=

P

y

x

f

    

( )

( )

0

0

0

;

1

2

0

=

=

P

x

y

f

 

( )

( )

0

24

2

0

0

12

0

;

1

0

>

=

=

W

P

W

, zatem w punkcie 

( )

0

;

1

0

=

P

 istnieje ekstremum lokalne. 

( )

( )

12

12

0

;

1

2

2

2

0

=

=

x

x

f

P

>0, czyli jest to minimum lokalne. 

 
Ćwiczenia: 
 
Zbadaj czy istnieją ekstrema lokalne oraz podaj ich charakter nst. funkcji: 

( )

2

2

4

4

2

4

2

;

y

xy

x

y

x

y

x

f

+

+

=

 

( )

(

)

( )
( )
( )

y

x

xy

x

y

x

f

y

x

xy

y

x

f

x

xy

y

x

y

x

f

y

x

e

y

x

f

x

12

15

3

;

20

50

;

48

6

;

;

2

3

2

3

2

+

=

+

+

=

+

=

+

=