background image

RÓŻNICZKA ZUPEŁNA

Niech 

 

,

,

,

Y

X

 przestrzenie unormowane nad K,

.

,

:

,

Top

0

U

x

Y

U

f

X

U

Różniczką zupełną 

(

pochodną zupełną

)

 

odwzorowania f w punkcie x

0

 nazywamy

odwzorowanie liniowe i ciągłe 

0

x

L

 

L(

X, Y

spełniające warunek  

  

   

U

h

x

h

o

h

L

x

f

h

x

f

x

0

0

0

 

dla

0

 

lub równoważnie

  

 

Y

h

h

L

x

f

h

x

f

x

h

0

lim

0

0

0

0

lub

  

 

 

 

.

0

lim

  

gdzie

 ,

0

0

0

0

0

0

h

h

r

h

r

h

L

x

f

h

x

f

x

h

x

x

Zatem funkcja f w punkcie x

0

 ma rózniczkę zupełną, jeśli przyrost funkcji można rozłożyć na

część liniową i nieliniową resztę, która jest funkcją typu o(h).

Różniczkę odwzorowania f w punkcie x

0

 oznaczamy też symbolem 

 

.

'

 

lub

  

0

0

x

f

f

d

x

Definicja

Jeśli  f jest różniczkowalna dla każdego 

U

x

 , to odwozorowanie

f

d

x

U

f

x

:'

 

L(

X,Y

)

nazywamy 

odwzorowaniem pochodnym

 funkcji f.

1

część              reszta
liniowa

background image

Przykład

Zbadać różniczkowalność funkcji 

2

2

3

2

,

,

,

,

:

y

x

y

x

xy

y

x

f

f

 R

R

 w punkcie 

(x

0

y

0

)=(2, 1).

Wybieramy wektor h=[h

1

, h

2

] i obliczamy przyrost  f

 funkcji f w punkcie (x

0

, y

0

)

 

 

  



 

 

 





2

2

2

1

2

1

2

1

2

1

1

2

2

2

2

1

liniowe

2

1

liniowe

2

1

2

1

liniowe

1

2

2

2

2

1

2

1

2

1

2

1

0

0

2

0

1

0

,

0

,

2

4

,

,

2

2

4

,

,

2

5

,

3

,

2

1

2

,

3

,

1

2

1

,

2

1

,

2

,

,

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

f

h

h

f

y

x

f

h

y

h

x

f

f



Musimy pokazać, że część nieliniowa jest typu o(h). 
                    

                     

                         skorzystalismy z 

                 liczymy granicę dla

                     normy euklidesowej

                        każdej składowej osobno

gdzie granicę pierwszej składowej 

 

2

2

2

1

2

1

0

,

0

,

2

1

lim

h

h

h

h

h

h

 obliczyliśmy korzystając ze

współrzędnych biegunowych:

.

0

sin

cos

lim

sin

cos

lim

0

.

0

.

0





e

ograniczon

dow

r

dow

r

r

r

r

r

Zatem udowodniliśmy, że część liniowa należy do klasy 

 

.

,

0

0

y

x

D

f

h

o

Część liniowa stanowi różniczkę, czyli

 

2

1

2

1

2

1

2

1

)

1

,

2

(

2

4

,

,

2

,

h

h

h

h

h

h

h

h

f

d

lub korzystajacąc z macierzowego zapisu odwzorowania liniowego

.

,

2

4

1

1

2

1

,

2

1

2

1

)

1

,

2

(

h

h

h

h

f

d

2

część                                       część
liniowa                                    nieliniowa

,

0

,

0

,

0

,

0

,

lim

,

0

,

lim

,

0

,

lim

2

2

2

1

2

2

2

1

2

1

0

0

2

2

2

1

2

2

2

1

2

1

0

2

2

2

1

2

1

0

2

1



h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

background image

Twierdzenie

 (

o jednoznaczności różniczki w punkcie

)

Jeśli istnieje różniczka 

,

0

f

d

x

 to jest jedyna.

Uwaga

Jedyność różniczki odwzorowania określonego w przestrzeni o wymiarze dimX >1
uzyskujemy dzięki temu, że dziedzina tego odwzorowania jest zbiorem otwartym.

Przykład

Niech

 

,

0

,

1

0

:

,

2

x

y

x

y

x

D

 

.

,

,

:

3

x

y

x

f

D

f

 R

 

Dziedzina funkcji nie jest zbiorem otwartym, 

.

Top

2

R

D

Wyznaczamy różniczkę w punkcie (x

0

y

0

)=(0, 0), który jest punktem skupienia dziedziny D.

I. Rozłóżmy przyrost w punkcie (0,0) na część liniową i nieliniową

  

3

1

3

1

2

1

0

0

,

0

0

,

0

h

h

f

h

h

f

0

,

 

2

1

0

,

0

Zatem

h

h

L

jest różniczką funkcji w punkcie (0, 0), jeżeli

jest

 

)

,

(

 

3

1

2

1

h

h

h

r

).

(

 

typu

h

o

Sprawdzamy czy 

   

h

o

h

r

:

,

0

lim

2

2

2

1

3

1

)

0

,

0

(

)

,

(

2

1

h

h

h

h

h

ponieważ

.

0

cos

lim

cos

lim

3

0

2

.

0

3

3

.

0

e

ograniczon

dow

r

dow

r

r

r

r

3

background image

II. Wyznaczamy część liniową w inny sposób

  

.

0

,

0

,

2

3

1

2

2

1



nieliniowe

liniowe

h

h

h

f

h

h

f

 

 ,

,

2

2

1

0

,

0

 

Zatem

h

h

h

L

jeżeli 

 

.

 

,

typu 

jest

2

3

1

2

1

h

o

h

h

h

h

r

Sprawdzimy, czy reszta jest typu o(h).

,

0

lim

funkcjach

 trzech 

o

 

ia

 twierdzen

podstawie

 

Na

2

2

2

1

2

3

1

)

0

,

0

(

)

,

(

2

1

h

h

h

h

h

h

 bo

,

0

0

1

1

1

2

1

2

1

1

2

3

1

2

2

2

1

2

3

1

2

2

2

1

2

3

1

2

2

2

1

2

3

1

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

h

gdzie ostatnia nierówność jest spełniona ponieważ dla 

D

h

h

2

1

,

 zachodzi 

2

1

2

h

h

.

Z I i II wynika, że funkcja nie ma jednoznacznie określonej różniczki.

Wniosek

Funkcja o dziedzinie nie będącej zbiorem otwartym nie ma jednoznacznie określonej
różniczki.

Twierdzenie 

(

o liniowości różniczki względem odwzorowań

)

Niech

  

X,Y – przestrzenie unormowane nad ciałem K,

 

.

niech 

 

oraz

,

,

,

:

,

,

Top

0

0

K

α,β

x

D

g

f

U

x

Y

U

g

f

X

U

 

Wtedy

)

(

0

g

f

d

x

 

(istnieje rózniczka kombincji liniowej funkcji f  i g)

oraz

.

)

(

0

0

0

g

d

f

d

g

f

d

x

x

x

4

background image

Twierdzenie 

(

o różniczce iloczynu i ilorazu funkcji

)

Jeśli dodatkowo założymy, że Y=K, to





g

f

d

fg

d

x

x

0

0

)

(

   (istnieją rózniczki iloczynu i ilorazu)

oraz

 

 

g

d

x

f

f

d

x

g

fg

d

x

x

x

0

0

0

0

0

)

(

i

 

 

 

 

.

0

,

0

2

0

0

0

gdy 

0

0

0





x

g

x

g

g

d

x

f

f

d

x

g

g

f

d

x

x

x

Twierdzenie 

(

o różniczce złożenia funkcji

)

Niech  X,Y,Z – przestrzenie unormowane nad K,

.

)

(

,

,

:

,

:

,

Top

,

Top

0

0

0

V

x

f

y

U

x

Z

V

g

V

U

f

Y

V

X

U

Jeśli 

,

0

0

g

d

f

d

y

x

 

to

f

g

d

x

0

i

f

d

g

d

f

g

d

x

y

x

0

0

0

Twierdzenie

 (

o istnieniu pochodnej kierunkowej

)

.

,

:

,

Top

,

 

nad

 

unormowane

 

ie

przestrzen

 

,

Niech 

0

U

x

Y

U

f

X

U

Y

X

K

Jeśli 

,

0

f

d

x

 

to

 





).

(

)

(

:

1

,

0

0

0

h

f

d

x

f

D

x

f

D

h

X

h

x

h

h

      pochodna kierunkowa  

                 wartość różniczki

      w kierunku

                                     w punkcie x

0

      wektora h

                 na wektorze h

5

background image

Dowód 

Niech  

.

1

,

h

X

h

 Wtedy

  bo istnieje

różniczka jest 

  różniczka                              odwzorowaniem linowym

 

  

t

x

f

th

x

f

x

f

D

t

h

0

0

0

0

lim

 

 

t

th

o

th

f

d

x

t

)

(

lim

0

0

 

 

 





const

t

x

t

x

t

x

t

h

t

t

th

th

o

h

f

d

t

th

o

h

f

d

t

th

o

h

f

d

t

sgn

0

0

0

0

)

(

lim

)

(

lim

)

(

lim

0

0

0

                                                                             





0

   

 

h

f

d

x

0

                                                                                                                  

c

Wniosek 

(

o istnieniu pochodnych cząstkowych

)

Niech X=

.

n

K

 

 Jeśli

,

0

f

d

x

to

 

 

)

(

0

0

0

j

x

j

j

e

f

d

x

x

f

x

x

f

        

.

...,

,

2

,

1

n

i

Twierdzenie

 

 

 

0

0

x

C

f

x

D

f

Dowód

 

Wynika bezpośrednio z definicji różniczki.

 

                                                                                       

c

opracował Jacek Zańko

6