background image

1

Wydział: WILiŚ, Budownictwo, sem.2

dr Jolanta Dymkowska

Różniczka n-tego rzędu funkcji dwóch zmiennych

Definicja

Niech funkcja ma w otoczeniu punktu (x

0

, y

0

) pochodne cząstkowe do rzędu n

włącznie. Różniczką n-tego rzędu funkcji f

w punkcie (x

0

, y

0

) nazywamy funkcję d

n

(x

0

, y

0

)

zmiennych ∆i ∆określoną wzorem:

d

n

(x

0

, y

0

) (∆x, y) =

 

∂x

+

∂y

y

!

n

f





(x

0

,y

0

)

We wzorze tym symbole

∂x

i

∂y

oznaczają odpowiednio operacje różniczkowania po zmiennych

, natomiast potęgę traktujemy formalnie do otrzymania pochodnych cząstkowych wyższych
rzędów.
Różniczką n-tego rzędu funkcji oznaczamy krótko d

n

.

W szczególności różniczka rzędu n ma postać:

• = 1 , to

df (x

0

, y

0

) (∆x, y) =

∂f

∂x

(x

0

, y

0

) ∆+

∂f

∂y

(x

0

, y

0

) ∆y

• = 2 , to

d

2

(x

0

, y

0

) (∆x, y) =

2

f

∂x

2

(x

0

, y

0

) (∆x)

2

+ 2

2

f

∂x∂y

(x

0

, y

0

) ∆+

2

f

∂y

2

(x

0

, y

0

) (∆y)

2

• = 3 , to

d

3

(x

0

, y

0

) (∆x, y) =

3

f

∂x

3

(x

0

, y

0

) (∆x)

3

+ 3

3

f

∂x

2

∂y

(x

0

, y

0

) (∆x)

2

+

+ 3

3

f

∂x∂y

2

(x

0

, y

0

) ∆(∆y)

2

+

3

f

∂y

3

(x

0

, y

0

) (∆y)

3

Wzór Taylora dla funkcji dwóch zmiennych

Twierdzenie

Niech funkcja ma w otoczeniu punktu (x

0

, y

0

) pochodne cząstkowe do rzędu

n włącznie oraz niech

(x, y)

będzie dowolnym punktem z tego otoczenia. Wówczas na odcinku

łączącym punkty (x

0

, y

0

) i (x, y) istnieje punkt (x

c

, y

c

) taki, że

(x, y) = (x

0

, y

0

) +

1

1!

df (x

0

, y

0

) (x − x

0

, y − y

0

) +

1

2!

d

2

(x

0

, y

0

) (x − x

0

, y − y

0

) +

. . . +

1

(n − 1)!

d

n−1

(x

0

, y

0

) (x − x

0

, y − y

0

) +

1

n!

d

n

(x

c

, y

c

) (x − x

0

, y − y

0

)

background image

2

Równość powyższą nazywamy wzorem Taylora dla funkcji dwóch zmiennych. Ostatnik składnik w
tym wzorze nazywamy n-tą resztą i oznaczamy R

n

.

Jeżeli punkt (x

0

, y

0

) = (00) to wzór Taylora nazywamy wzorem Maclaurina.

Przykład

Napisać wzór Taylora z resztą R

2

dla funkcji (x, y) = x

2

w otoczeniu punktu

(11).

Rozwiązanie

Wzór Taylora w otoczeniu punktu (11) z resztą R

2

ma postać:

(x, y) = (11) +

1

1!

df (11) (+ 1, y − 1) +

1

2!

d

2

(x

c

, y

c

) (+ 1, y − 1)

gdzie punkt (x

c

, y

c

) jest punktem odcinka łączącego punkty (11) i (x, y) .

Obliczamy więc kolejno:

• (11) = 1

f

x

(x, y) = 2xy

f

x

(11) = 2

f

y

(x, y) = x

2

f

y

(11) = 1

• df (11) (+ 1, y − 1) = 2 (+ 1) + (y − 1)

f

xx

(x, y) = 2y

f

xy

(x, y) = 2x

f

yx

(x, y) = 2x

f

yy

(x, y) = 0

• d

2

(x

c

, y

c

) (+ 1, y − 1) = 2y

c

(+ 1)

2

+ 4x

c

(+ 1)(y − 1)

Zatem wzór Taylora z resztą R

2

dla funkcji (x, y) = x

2

w otoczeniu punktu (11) przyjmie

postać:

x

2

= 1 − 2 (+ 1) + (y − 1) + y

c

(+ 1)

2

+ 2x

c

(+ 1)(y − 1).

Przykład

Napisać wzór Maclaurina z resztą R

3

dla funkcji (x, y) = e

x+2y

.

Rozwiązanie

Wzór Maclaurina z resztą R

3

ma postać:

(x, y) = (00) +

1

1!

df (00) (x, y) +

1

2!

d

2

(00) (x, y) +

1

3!

d

3

(x

c

, y

c

) (x, y)

gdzie punkt (x

c

, y

c

) jest punktem odcinka łączącego punkty (00) i (x, y) .

Obliczamy więc kolejno:

• (00) = e

0

= 1

f

x

(x, y) = e

x+2y

f

x

(00) = e

0

= 1

f

y

(x, y) = 2e

x+2y

f

y

(00) = 2e

0

= 2

• df (00) (x, y) = + 2y

f

xx

(x, y) = e

x+2y

f

xx

(00) = e

0

= 1

f

xy

(x, y) = 2e

x+2y

f

xy

(00) = 2e

0

= 2

f

yx

(x, y) = 2e

x+2y

f

yx

(00) = 2e

0

= 2

f

yy

(x, y) = 4e

x+2y

f

yy

(00) = 4e

0

= 4

• d

2

(00) (x, y) = x

2

+ 4 xy + 4 y

2

background image

3

f

xxx

(x, y) = e

x+2y

f

xxy

(x, y) = 2e

x+2y

f

xyx

(x, y) = 2e

x+2y

f

xyy

(x, y) = 4e

x+2y

f

yxx

(x, y) = 2e

x+2y

f

yxy

(x, y) = 4e

x+2y

f

yyx

(x, y) = 4e

x+2y

f

yyy

(x, y) = 8e

x+2y

• d

3

(x

c

, y

c

) (x, y) = e

x

c

+2y

c

x

3

+ 6e

x

c

+2y

c

x

2

+ 12e

x

c

+2y

c

x y

2

+ 8e

x

c

+2y

c

y

3

Zatem wzór Maclaurina z resztą R

3

dla funkcji (x, y) = e

x+2y

przyjmie postać:

e

x+2y

= 1 + + 2+

1

2

x

2

+ 2 xy + 2 y

2

+

1

6

e

x

c

+2y

c

x

3

e

x

c

+2y

c

x

2

+ 2e

x

c

+2y

c

x y

2

+

4

3

e

x

c

+2y

c

y

3

.