background image

 

207 

WYKŁAD Nr 16 

 

FUNKCJE DWÓCH ZMIENNYCH – c. d. 

 

6. POCHODNA FUNKCJI ZŁOŻONEJ 

 
POCHODNA FUNKCJI ZŁOŻONEJ JEDNEJ ZMIENNEJ NIEZALEŻNEJ

 

 

A) Pochodna funkcji 

(

)

)

(

),

(

t

y

t

x

f

z

=

 

 
Tw.6.1. (o pochodnej funkcji 

(

)

)

(

),

(

t

y

t

x

f

z

=

Jeżeli:  

-

  funkcja 

)

,

y

x

f

 jest określona w obszarze D

-

  funkcje 

)

(

),

(

t

y

t

x

  określone  w  przedziale 

(

)

β

α,

,  takie  że  para 

(

)

D

y

x

,

  odwzorowuje 

przedział 

(

)

β

α,

 w obszar D

-

  funkcje 

)

(

),

(

t

y

t

x

 są różniczkowalne dla 

(

)

β

α

,

t

-

  funkcja 

(

)

)

(

),

(

t

y

t

x

f

z

=

  ma  pochodne 

y

f

x

f

,

  dla  każdej  pary 

(

)

D

y

x

,

  oraz  są  one 

ciągłe 

to wówczas funkcja złożona 

(

)

)

(

),

(

t

y

t

x

f

z

=

 ma dla argumentu t pochodną 

t

d

z

d

 określoną następująco

 

(1) 

t

d

y

d

y

f

t

d

x

d

x

f

t

d

z

d

+

=

 

 

Przykład:  Niech  będzie  dana  funkcja 

x

y

x

y

x

f

z

sin

)

,

(

2

+

=

=

  mająca  ciągłe  pochodne  w  całej 

przestrzeni 

2

  oraz  niech 

R

=

=

t

t

e

y

t

x

t

,

,

2

2

2

.  Obliczyć  pochodną  funkcji 

(

)

)

(

),

(

t

y

t

x

f

z

=

  dla 

0

0

=

t

Rozwiązanie:   

 Ponieważ 

x

y

f

x

y

x

x

f

sin

,

cos

2

=

+

=

 

 

 

 

 

 

t

e

t

d

y

d

t

t

d

x

d

t

2

,

4

=

=

  

oraz spełnione są założenia tw.6.1, więc wstawiając powyższe pochodne cząstkowe do wzoru (1) mamy: 

 

(

)

(

)

t

e

x

t

x

y

x

t

d

z

d

t

2

sin

4

cos

2

+

+

=

 

Stąd podstawiając za 

2

2

,

2

t

e

y

t

x

t

=

=

otrzymujemy 

 

(

) ( )

[

]

( ) (

)

=

+

+

=

t

e

t

t

t

t

e

t

t

d

z

d

t

t

2

2

sin

4

2

cos

2

2

2

2

2

2

(

) ( )

[

]

( ) (

)

t

e

t

t

t

t

e

t

t

t

2

2

sin

4

2

cos

4

2

2

2

2

+

+

=

 

Zatem   

( ) (

)

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

=

+

+

=

=

=

t

d

z

d

t

d

z

d

t

 

Uwaga

: Można również zastosować wzór   

0

0

0

0

0

t

P

t

P

t

t

d

y

d

y

f

t

d

x

d

x

f

t

d

z

d

+

=

,  

gdzie 

( ) ( )

(

)

0

0

0

t

y

t

x

P

 

background image

 

208 

SCHEMAT OBLICZANIA POCHODNEJ 

t

d

z

d

 

 

)

,

y

x

f

z

=

 

y

f

x

f

 

y

x

 

t

d

y

d

t

d

x

d

 

 

t

d

y

d

y

f

t

d

x

d

x

f

t

d

z

d

+

=

 

 
Druga pochodna funkcji 

(

)

)

(

),

(

t

y

t

x

f

z

=

 

Zachowując założenia z tw.6.1. zakładamy dodatkowo, że występujące tam funkcje mają ciągłe pochodne 
do rzędu drugiego włącznie (tzn. są klasy 

2

C

). 

 

SCHEMAT OBLICZANIA POCHODNEJ 

2

2

t

d

z

d

 

=





=

t

d

z

d

t

d

d

t

d

z

d

2

2

 {wstawiamy wzór (1)}  

=





+





=





+

=

t

d

y

d

y

f

t

d

d

t

d

x

d

x

f

t

d

d

t

d

y

d

y

f

t

d

x

d

x

f

t

d

d

{pochodne iloczynu} 

=

+





+

+





=

2

2

2

2

t

d

y

d

y

f

t

d

y

d

y

f

t

d

d

t

d

x

d

x

f

t

d

x

d

x

f

t

d

d

{należy zróżniczkować względem 

zmiennej t człony 

y

f

x

f

,

 patrz poniższe schematy, a następnie wstawić otrzymane wyrażenia} (*) 

 

     

x

f

 

 

 

 

 

 

 

      

y

f

 

x

y

f

x

f

2

2

2

   

 

 

 

2

2

2

y

f

y

x

f

 

 

        

y

x

   

 

 

 

 

         

y

x

  

 

t

d

y

d

t

d

x

d

 

 

 

 

 

t

d

y

d

t

d

x

d

 

 
                

      t   

 

 

 

 

 

 

        

 
 
czyli wracając do (*):

 

background image

 

209 

=

+

+

+

+

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

t

d

y

d

y

f

t

d

y

d

t

d

y

d

y

f

t

d

x

d

y

x

f

t

d

x

d

x

f

t

d

x

d

t

d

y

d

x

y

f

t

d

x

d

x

f

=

+





+

+

+

+





=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

t

d

y

d

y

f

t

d

y

d

y

f

t

d

y

d

t

d

x

d

y

x

f

t

d

x

d

x

f

t

d

x

d

t

d

y

d

x

y

f

t

d

x

d

x

f

 

{korzystamy z twierdzenia Schwarza 

x

y

f

y

x

f

=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

t

d

y

d

y

f

t

d

x

d

x

f

t

d

y

d

y

f

t

d

x

d

t

d

y

d

x

y

f

t

d

x

d

x

f

+

+





+

+





=

 

 
Ostatecznie 
 

(2) 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

t

d

y

d

y

f

t

d

x

d

x

f

t

d

y

d

y

f

t

d

x

d

t

d

y

d

x

y

f

t

d

x

d

x

f

t

d

z

d

+

+





+

+





=

 

 
Przykład: Obliczyć drugą pochodną funkcji 

y

x

e

z

2

=

, gdzie 

3

,

sin

t

y

t

x

=

=

 

 

Rozwiązanie: Podana funkcja spełnia założenia w 

2

 

Ponieważ 

y

x

y

x

y

x

y

x

y

x

e

y

x

z

e

y

z

e

x

z

e

y

z

e

x

z

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

,

4

,

,

2

,

=

=

=

=

=

  

 

t

t

d

x

d

t

t

d

x

d

t

t

d

y

d

t

t

d

x

d

6

,

sin

,

3

,

cos

2

2

2

2

2

=

=

=

=

 

Zatem 
 

(

)

(

)

=

+

+

+

=

t

e

t

e

t

e

t

t

e

t

e

t

d

z

d

y

x

y

x

y

x

y

x

y

x

6

2

sin

9

4

3

cos

2

2

cos

2

2

4

2

2

2

2

2

2

2

 

{wstawiamy 

3

,

sin

t

y

t

x

=

=

=

+

+

=

3

3

3

3

3

2

sin

2

sin

2

sin

4

2

sin

2

2

2

sin

12

sin

36

cos

12

cos

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

te

e

t

e

t

t

e

t

t

e

 

(

)

t

t

t

t

t

t

e

t

t

12

sin

36

cos

12

cos

4

2

2

2

sin

3

+

=

 

 
 
Uwaga:

 Przykład ten możemy rozwiązać również innym sposobem.  

 
W tym celu obliczamy: 
 

=

=

2

2

2

3

2

cos

t

e

t

e

t

d

z

d

y

x

y

x

{wstawiamy 

3

,

sin

t

y

t

x

=

=

} =  

=

(

)

2

2

sin

2

sin

2

2

sin

6

cos

6

cos

3

3

3

t

t

e

e

t

t

e

t

t

t

t

t

t

=

, czyli 

(

)

2

2

sin

6

cos

3

t

t

e

t

d

z

d

t

t

=

 

 

Wówczas obliczając drugą pochodną traktujemy ją jako pochodną z pierwszej pochodnej funkcji jednej 
zmiennej t
 

background image

 

210 

B) Pochodna funkcji 

(

)

)

(

,

x

y

x

z

z

=

 

 

Jeżeli  przyjmiemy 

t

x

=   to  otrzymamy  funkcję  złożoną,  której  pochodną  obliczamy  korzystając  ze 

schematu: 

(

)

)

(

,

x

y

x

z

z

=

 

   

y

z

x

z

 

 
               

y

x

 

                      

x

d

y

d

 

        x 

Zatem 

(3) 

x

d

y

d

y

z

x

z

x

d

z

d

+

=

 

 

W przypadku drugiej pochodnej mamy: 

 

=

+





+





=





+

=





=

2

2

2

2

x

d

y

d

y

z

x

d

y

d

y

z

x

d

d

x

z

x

d

d

x

d

y

d

y

z

x

z

x

d

d

x

d

z

d

x

d

d

x

d

z

d

 

+

+

=

+



+

+

+

=

x

d

y

d

x

y

z

x

z

x

d

y

d

y

z

x

d

y

d

x

d

y

d

y

z

y

x

z

x

d

y

d

x

y

z

x

z

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

 

2

2

2

2

2

x

d

y

d

y

z

x

d

y

d

y

z

+





+

 

 

Ostatecznie

 

(4) 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

x

d

y

d

y

z

x

d

y

d

y

z

x

d

y

d

x

y

z

x

z

x

d

z

d

+





+

+

=

 

 

Przykład: Obliczyć pierwszą i drugą pochodną funkcji 

(

)

3

,

ln

x

y

e

e

z

y

x

=

+

=

 

 

Rozwiązanie: 

Ponieważ 

(

)

2

2

2

,

,

y

x

y

x

y

x

y

y

x

x

e

e

e

x

z

e

e

e

y

z

e

e

e

x

z

+

=

+

=

+

=

+

(

)

2

2

2

,

y

x

y

x

e

e

e

y

z

+

=

+

(

)

x

x

d

y

d

x

x

d

y

d

e

e

e

x

y

z

y

x

y

x

6

,

3

,

2

2

2

2

2

=

=

+

=

+

 

Zatem   

3

3

3

3

3

3

2

2

3

3

3

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

y

x

y

y

x

x

e

e

e

x

e

x

e

e

e

e

e

e

x

e

e

e

e

e

e

x

d

z

d

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

=

 

(

)

(

)

(

)

=

+

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

x

e

e

e

x

e

e

e

x

e

e

e

e

e

e

x

d

z

d

y

x

x

y

x

y

x

y

x

y

x

y

x

y

x

6

9

3

2

4

2

2

2

2

2

2

 

x

e

e

e

x

e

e

e

x

e

e

e

e

e

e

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

6

9

3

2

3

3

3

3

3

3

3

4

2

2

2

2

+

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

 

 

background image

 

211 

POCHODNA FUNKCJI ZŁOŻONEJ DWÓCH ZMIENNYCH NIEZALEŻNYCH 

 

Tw.6.2. (o pochodnej funkcji 

(

)

)

,

(

),

,

(

v

u

y

v

u

x

f

z

=

Jeżeli:  

-

  funkcja 

(

)

)

,

(

),

,

(

v

u

y

v

u

x

f

z

=

 klasy 

1

C

 jest określona w obszarze 

2

R

D

-

  funkcje 

)

,

(

),

,

(

v

u

y

v

u

x

 mają ciągłe pochodne I –go rzędu w obszarze D

-

 

(

)

D

v

u

y

v

u

x

)

,

(

),

,

(

 gdy 

(

)

1

,

D

v

u

 

to wówczas funkcja złożona dwóch zmiennych 

(

)

)

,

(

),

,

(

v

u

y

v

u

x

f

z

=

 ma pochodne cząstkowe I go rzędu 

określone następująco: 

 

(5) 

u

y

y

z

u

x

x

z

u

z

+

=

 

(6) 

v

y

y

z

v

x

x

z

v

z

+

=

 

 

SCHEMAT OBLICZANIA POCHODNYCH CZĄSTKOWYCH I – GO RZĘDU 

 

)

,

y

x

f

z

=

 

 

y

z

x

z

 

 

     

y

x

 

 

     

v

y

u

y

v

x

u

x

 

 

    

v

u

 

 
Przykład:  Obliczyć  pochodne  cząstkowe  I  –  go  rzędu  względem  u  i  v  funkcji 

xy

e

z

=

,  gdzie 

u

v

y

v

u

x

arctg

,

ln

2

2

=

+

=

 

Rozwiązanie:  
Korzystając ze wzorów (5) i (6) dla 

(

) ( )

0

,

0

,

v

u

 i 

0

u

 mamy:

 

 

=

+

+

+

=

+

+

+

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

2

2

1

v

u

v

x

v

u

u

y

e

u

v

u

v

xe

v

u

u

v

u

ye

u

z

xy

xy

xy

+

+

+

+

=

+

2

2

2

2

2

2

ln

arctg

ln

arctg

2

2

v

u

v

v

u

v

u

u

u

v

e

v

u

u

v

 

 

=

+

+

+

=

+

+

+

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

2

2

1

v

u

u

x

v

u

v

y

e

u

u

v

xe

v

u

v

v

u

ye

v

z

xy

xy

xy

 

+

+

+

+

=

+

2

2

2

2

2

2

ln

arctg

ln

arctg

2

2

v

u

u

v

u

v

u

v

u

v

e

v

u

u

v

 

background image

 

212 

POCHODNE  CZĄSTKOWE  RZĘDU  II  –  GO  FUNKCJI  ZŁOŻONEJ  DWÓCH  ZMIENNYCH 
NIEZALEŻNYCH 
 
 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

u

y

y

z

u

x

x

z

u

y

y

z

u

y

u

x

y

x

z

u

x

x

z

u

y

y

z

u

y

u

y

y

z

u

x

y

x

z

u

x

x

z

u

x

u

y

x

y

z

u

x

x

z

u

y

y

z

u

y

y

z

u

u

x

x

z

u

x

x

z

u

u

y

y

z

u

x

x

z

u

u

z

u

u

z

+

+





+

+





=

=

+

+

+

+

+

=

=

+





+

+





=





+

=





=

 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

v

y

y

z

v

x

x

z

v

y

y

z

v

y

v

x

y

x

z

v

x

x

z

v

y

y

z

v

y

v

y

y

z

v

x

y

x

z

v

x

x

z

v

x

v

y

x

y

z

v

x

x

z

v

y

y

z

v

y

y

z

v

v

x

x

z

v

x

x

z

v

v

y

y

z

v

x

x

z

v

v

z

v

v

z

+

+





+

+





=

=

+

+

+

+

+

=

=

+





+

+





=





+

=





=

 

 

v

u

y

y

z

v

y

u

y

y

z

v

y

u

x

y

x

z

v

u

x

x

z

u

y

v

x

x

y

z

v

x

u

x

x

z

v

u

y

y

z

v

y

u

y

y

z

u

x

y

x

z

v

u

x

x

z

v

x

u

y

x

y

z

u

x

x

z

v

u

y

y

z

v

y

y

z

u

v

u

x

x

z

v

x

x

z

u

v

y

y

z

v

x

x

z

u

v

z

u

v

u

z

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

+

=

+

+





+

+





=





+

=





=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

 

Analogicznie można wyprowadzić wzór na pochodną 

u

v

z

2

 
Uwaga

:  Przy  wyprowadzaniu  powyższych  wzorów  korzystaliśmy  ze  wzorów  (5),  (6),  reguł 

różniczkowania sumy i iloczynu oraz następujących schematów: 
 

          

x

z

 

 

 

 

 

 

 

 

         

y

z

 

 
 
 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 

u

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

v

 

 
 

background image

 

213 

Przykład:  Przekształcić  wyrażenie  różniczkowe 

2

2

2

2

2

3

4

y

z

y

x

z

x

z

+

  wprowadzając  zmienne  u  i  v 

określone następująco: 

y

x

v

y

x

u

+

=

+

=

,

3

 
Rozwiązanie: 
W zadaniu mamy do czynienia z pewną funkcją z dwóch zmiennych u i v, z których każda jest funkcją 
dwóch zmiennych niezależnych x i y. Zatem 

(

)

)

,

(

,

)

,

(

y

x

v

y

x

u

f

z

=

Schemat obliczania pochodnych cząstkowych I – go rzędu tej funkcji przedstawia się następująco: 
 

)

,

v

u

f

z

=

 

 

v

z

u

z

 

 

     

v

u

 

 

     

y

v

x

v

y

u

x

u

 

 

    

y

x

 

 

 

Korzystając  z  powyższego  schematu  otrzymujemy  następujące  wzory  na  pochodne  cząstkowe  I  –  go 
rzędu: 

 

x

v

v

z

x

u

u

z

x

z

+

=

,   

 

y

v

v

z

y

u

u

z

y

z

+

=

 

 

Ponieważ  

1

,

1

,

1

,

3

=

=

=

=

y

v

x

v

y

u

x

u

 

Zatem 

 

1

3

+

=

v

z

u

z

x

z

,   

 

 

1

1

+

=

v

z

u

z

y

z

 

 

czyli 

 

v

z

u

z

x

z

+

=

3

 

 

 

 

v

z

u

z

y

z

+

=

 

 

Obliczamy pochodne cząstkowe rzędu II – go występujące w naszym wyrażeniu różniczkowym: 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

6

9

1

3

1

3

3

3

3

3

v

z

v

u

z

u

z

v

z

v

u

z

u

v

z

u

z

x

v

v

z

x

u

v

u

z

x

v

u

v

z

x

u

u

z

v

z

x

u

z

x

v

z

u

z

x

x

z

x

x

z

+

+

=

+

+



+

=

+

+

+



+

=





+





=





+

=





=

 

 

Z twierdzenie Schwarza 

u

v

z

v

u

z

=

2

2

, co zostało powyżej wykorzystane w końcowych obliczeniach. 

background image

 

214 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

v

z

v

u

z

u

z

v

z

v

u

z

u

v

z

u

z

y

v

v

z

y

u

v

u

z

y

v

u

v

z

y

u

u

z

v

z

y

u

z

y

v

z

u

z

y

y

z

y

y

z

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

+

=





+





=





+

=





=

 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

3

1

3

1

3

v

z

v

u

z

u

z

v

z

v

u

z

u

v

z

u

z

x

v

v

z

x

u

v

u

z

x

v

u

v

z

x

u

u

z

v

z

x

u

z

x

v

z

u

z

x

y

z

x

y

x

z

+

+

=

+

+

+

=

+

+

+

+

=





+





=





+

=





=

 

 
Ostatecznie  otrzymaliśmy  następujące  pochodne  cząstkowe  II  –  go  rzędu  wyrażone  za  pomocą 
zmiennych u i v
 

2

2

2

2

2

2

2

6

9

v

z

v

u

z

u

z

x

z

+

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

v

z

v

u

z

u

z

y

z

+

+

=

2

2

2

2

2

2

4

3

v

z

v

u

z

u

z

y

x

z

+

+

=

 

 
Wstawiając powyższe zależności do podanego wyrażenia różniczkowego otrzymujemy: 
 

v

u

z

v

z

v

u

z

u

z

v

z

v

u

z

u

z

v

z

v

u

z

u

z

v

z

v

u

z

u

z

v

z

v

u

z

u

z

v

z

v

u

z

u

z

y

z

y

x

z

x

z

=

+

+

+

+

+

+

=



+

+

+

+



+

+

+

+

=

+

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

4

3

6

3

4

16

12

6

9

2

3

4

3

4

6

9

3

4

 

 

Ostatecznie wyrażenie różniczkowe 

2

2

2

2

2

3

4

y

z

y

x

z

x

z

+

 po wprowadzeniu zmiennych 

y

x

u

+

= 3

y

x

v

+

=

 przedstawia się następująco: 

 

v

u

z

y

z

y

x

z

x

z

=

+

2

2

2

2

2

2

4

3

4