Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 1

Rachunek różniczkowy funkcji dwóch zmiennych

Definicja (pochodne cząstkowe pierwszego rzędu)

Niech funkcja f będzie określona przynajmniej na otoczeniu punktu x ,

0 y0 .

Pochodną cząstkową pierwszego rzędu funkcji f względem x w punkcie x ,

0 y0

określamy wzorem

∂ f

,

,

de f

f x

− f x y

==

0 + ∆x, y0

0

0

∂ x0 y0

lim

,

x

∆x→0

∆x

a względem zmiennej y w punkcie x ,

0 y0

∂ f

,

,

,

de f

f x y

y

==

0

0 + ∆y − f x0

0

∂ x0 y0

lim

.

y

∆y→0

∆y

Pochodne te oznaczamy również odpowiednio jako f x i f y.

Uwaga

Jeżeli granica określająca pochodną cząstkową jest właściwa (niewłaściwa), to mówi-my, że pochodna ta jest właściwa (niewłaściwa).

Jeżeli granica ta nie istnieje, wówczas to samo mówimy o pochodnej cząstkowej.

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 2

Przykład

Korzystając z definicji obliczyć wszystkie pochodne cząstkowe pierwszego rzędu podanych funkcji we wskazanych punktach:

a) f (x, y) = x,

P x ,

0 y0 = (−1, 1)

y

b) f (x, y) = y sin x,

P x ,

0 y0 = (0, π)

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 3

Uwaga

Związek między ciagłością funkcji a istnieniem pochodnych cząstkowych dla funkcji dwóch zmiennych wygląda odmiennie niż zależność ta dla funkcji jednej zmiennej.

Funkcja dwóch zmiennych może mieć w punkcie obie pochodne cząstkowe, ale nie musi być w tym punkcie ciągła.

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 4

Uwaga

Przy obliczaniu pochodnej cząstkowej względem jednej zmiennej pozostałe zmienne traktujemy jak stałe.

de f

de f

niech F (x) == f x, y

,

,

0 oraz G (y) == g x0 y, gdzie x0 y0 jest ustalonym

punktem dziedzin funkcji f i g.

Wówczas

∂ f

∂

,

f

=

, =

∂ x0 y0

F0 x0 oraz

x0 y0

G0 y0 .

x

∂y

Uwaga

Do obliczania pochodnych cząstkowych mozna stosować reguły różniczkowania funkcji jednej zmiennej, tj. wzory na pochodne sumy, różnicy, iloczynu, ilorazu oraz złożenia funkcji.

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 5

Przykład

Korzystając z reguł różniczkowania obliczyć wszystkie pochodne cząstkowe pierwszego rzędu podanych funkcji:

x y

a) f (x, y) = ln x2 + y4 + 1 + xy ;

b) f (x, y) = arcsin

;

x + y

c) f (x, y) = sin2 x + 3 y5 ;

d) f (x, y) = 3parctg (x + ey x)

y

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 6

Definicja (pochodne cząstkowe drugiego rzędu)

∂ f

∂ f

Niech funkcja f ma pochodne cząstkowe

,

∂

przynajmniej na otoczeniu punk-

x

∂y

tu x ,

0 y0 .

Pochodne cząstkowe drugiego rzędu funkcji f w punkcie x ,

0 y0 określamy wzorami:

∂2 f

!!

!!

de f

∂ ∂ f

∂2 f

de f

∂ ∂ f

x , y ==

x , y ,

x , y ==

x , y ,

∂

0

0

0

0

0

0

0

0

x2

∂x ∂x

∂x∂y

∂x ∂y

∂2 f

∂ ∂ !!

∂2

∂ ∂ !!

,

de f

f

f

de f

f

==

,

, ==

,

∂

x0 y0

x0 y0 ,

x0 y0

x0 y0 .

y∂x

∂y ∂x

∂y2

∂y ∂y

Powyższe pochodne oznacza się także odpowiednio przez fxx, fxy,

fyx,

fyy.

Uwaga

Analogicznie mozna zdefiniować pochodne cząstkowe wyższych rzędów.

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 7

Przykład

Wyznacz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

a) f (x, y) = sin (3 x + 5 y) ;

b) f (x, y) = ex−y + x5 − y3 + 7 ;

x

c) f (x, y) =

ex

;

d) f (x, y) = arcsin

ln (x + y)

y

Twierdzenie (Schwarza o pochodnych mieszanych)

∂2 f

∂2 f

Jeżeli pochodne cząstkowe

,

,

∂

są ciagłe w punkcie x0 y0 , to są równe,

x∂y

∂y∂x

tzn.

∂2 f

∂2

,

f

=

,

∂

x0 y0

x0 y0

x∂y

∂y∂x

.

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 8

Różniczka funkcji dwóch zmiennych

Twierdzenie

∂ f

∂ f

Jeżeli funkcja f ma pochodne cząstkowe

,

,

∂

ciągłe w punkcie x0 y0 ,

x

∂y

to jest rózniczkowalna w tym punkcie.

Rózniczkowalność funkcji f w punkcie x ,

0 y0 oznacza, że istnieje płaszczyzna stycz-

na (niepionowa) do wykresu tej funkcji w punkcie x ,

,

,

0 y0 f x0 y0 .

Fakt (równanie płaszcyzny stycznej do wykresu funkcji)

∂ f

∂ f

Niech funkcja f ma ciągłe pochodne cząstkowe

,

,

∂

w punkcie x0 y0 .

x

∂y

Wówczas płaszczyzna styczna do wykresu funkcji f w punkcie x ,

,

,

0 y0 f x0 y0

ma

postać

∂ f

∂ f

z − f x ,

,

,

0 y0 =

+

∂ x0 y0 x − x0

x0 y0 y − y0 .

x

∂y

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 9

Przykład

Napisać równania płaszczyzn stycznych do wykresów podanych funkcji we wskazanych punktach tych wykresów:

π

a) f (x, y) = arctgx,

x ,

,

0 y0 z0 = 1, 0,

1 + y2

4

b) f (x, y) = xy,

x ,

,

0 y0 z0 = (2, 4, 16)

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 10

Definicja (różniczka funkcji dwóch zmiennych)

Niech funkcja f ma pochodne cząstkowe pierwszego rzędu w punkcie x ,

0 y0 .

Różniczką funkcji f w punkcie x ,

,

0 y0 nazywamy funkcję d f x0 y0 zmiennych

∆x, ∆y określoną wzorem:

de f ∂ f

∂ f

d f x ,

,

,

0 y0 (∆x, ∆y) ==

∆

∆

∂ x0 y0

x +

x0 y0

y.

x

∂y

Rózniczkę funkcji f dwóch zmiennych oznacza się krótko przez d f .

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 11

Uwaga

Niech funkcja f ma ciągłe pochodne cząstkowe pierwszego rzędu w punkcie x ,

0 y0 .

Wtedy

f x

,

,

0 + ∆x, y0 + ∆y ≈ f x0 y0 + d f x0 y0 (∆x, ∆y)

przy czym błąd δ (∆x, ∆y) = ∆ f − d f

q

dąży szybciej do 0 niż wyrażenie

(∆x)2 + (∆y)2, czyli

δ (∆x, ∆y)

lim

,

(∆x,∆y)→(0,0) q(∆x)2 + (∆y)2

tzn.

f x

, y − d f x , y (∆x, ∆y)

lim

0 + ∆x, y0 + ∆y − f x0

0

0

0

.

(∆x,∆y)→(0,0)

q

(∆x)2 + (∆y)2

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 12

Uwaga

Niech funkcja f ma ciągłe pochodne cząstkowe pierwszego rzędu w punkcie x ,

0 y0 .

Wtedy

∂ f

∂ f

f x

,

,

,

0 + ∆x, y0 + ∆y ≈ f x0 y0 +

∆

∆

∂ x0 y0

x +

x0 y0

y.

x

∂y

Przykład

Korzystając z różniczki zupełnej znajdź przybliżone wartości: a) (1, 02)3,01

arctg1, 001

b) arcsin 0, 49

√

√

c) ln 1 + 3 0, 97 −

1.04

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 13

Fakt (zastosowanie różniczki funkcji do szacowania błędów pomiarów) Niech wielkości fizyczne x, y, z będą związane zależnością z = f (x, y), gdzie funkcja f ma ciągłe pochodne cząstkowe pierwszego rzędu.

Ponadto niech ∆x i ∆y oznaczają odpowiednio błędy bezwzględne pomiaru wielkości x i y.

Wtedy błąd bezwzględny ∆z wielkości z wyraża się wzorem przybliżonym:

∂

∂

∆

f

f

z ≈

∆

∆

x +

y.

∂x

∂y

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 14

Definicja (różniczka n-tego rzędu funkcji dwóch zmiennych) Niech funkcja f ma na otoczeniu punktu x ,

0 y0 ciągłe pochodne cząstkowe do rzędu

n włącznie.

Różniczką n-tego rzędu funkcji f w punkcie x ,

,

0 y0 nazywamy funkcję dn f x0 y0

zmiennych ∆x i ∆y określoną wzorem:

!n

de f

∂

∂

dn f x ,

0 y0 (∆x, ∆y) ==

∆

∆

∂

x +

y

f |

,

x

∂y

(x0 y0).

∂

∂

Symbole ∂ oraz

oznaczają odpowiednio operacje różniczkowania po zmiennych x

∂y

x i y. Potęgę traktujemy formalnie do otrzymania pochodnych cząstkowych wyższych rzędów.

Różniczkę n-tego rzędu funkcji f oznaczamy krótko przez dn f oraz przyjmujemy d0 f = f .

Ogólnie zdefiniowaną przez indukcję rózniczkę dowolnego rzędu zapisujemy

dn f = d dn−1 f .

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 15

∂2 f

∂2 f

Dla funkcji f dwóch zmiennych mającej drugie pochodne mieszane ∂

i

x∂y

∂y∂x

∂2 f

∂2 f

∂2 f

ciągłe zachodzi wzór d2 f =

∆x2 + 2

∆x∆y +

∆y2, oraz zakładając

∂x2

∂x∂y

∂y2

ciągłość pochodnych mieszanych rzędu n mamy wzór

n !

X

n

∂n f

dn f =

∆xk∆yn−k.

k ∂xk∂yn−k

k=0

Zapis ∆xn i ∆yn oznacza (∆x)n i (∆y)n.

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 16

Wzór Taylora

Twierdzenie (Wzór Taylora)

Niech funkcja f ma w otoczeniu punktu x ,

0 y0 ciągłe pochodne cząstkowe do rzędu

n włącznie oraz niech (x, y) będzie dowolnym punktem z tego otoczenia.

Wtedy na odcinku łączącym punkty x ,

0 y0 i (x, y) istnieje punkt (xc, yc) taki, że

, y x − x , y − y

f (x, y) = f x ,

0

0

0

0 y0 + d f x0

+

1!

d2 f x ,

,

,

,

0 y0

x − x0 y − y0 + ... + dn−1 f x0 y0 x − x0 y − y0 +

2!

(n − 1)!

dn f x ,

,

0 y0

x − x0 y − y0 .

n!

Wzór ten nazywamy wzorem Taylora dla funkcji dwóch zmiennych, a ostatni składnik nazywamy n-tą resztą i oznaczmy Rn.

Dla punktu x ,

0 y0 = (0, 0) wzór ten nazywamy wzorem Maclaurina.

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 17

Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych

Definicja (minimum lokalne funkcji dwóch zmiennych)

Funkcja f ma w punkcie x ,

0 y0 minimum lokalne, jeżeli istnieje

otoczenie tego punktu takie, że dla dowolnego (x, y) z tego otoczenia zachodzi nierówność f (x, y) > f x ,

0 y0 .

Definicja (minimum lokalne właściwe funkcji dwóch zmiennych) Funkcja f ma w punkcie x ,

0 y0 minimum lokalne właściwe, jeżeli istnieje

sąsiedztwo tego punktu takie, że dla dowolnego (x, y) z tego sąsiedztwa zachodzi nierówność f (x, y) > f x ,

0 y0 .

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 18

Definicja (maksimum lokalne funkcji dwóch zmiennych)

Funkcja f ma w punkcie x ,

0 y0 maksimum lokalne, jeżeli istnieje

otoczenie tego punktu takie, że dla dowolnego (x, y) z tego otoczenia zachodzi nierówność f (x, y) 6 f x ,

0 y0 .

Definicja (maksimum lokalne właściwe funkcji dwóch zmiennych) Funkcja f ma w punkcie x ,

0 y0 maksimum lokalne właściwe, jeżeli istnieje

sąsiedztwo tego punktu takie, że dla dowolnego (x, y) z tego sąsiedztwa zachodzi nierówność f (x, y) < f x ,

0 y0 .

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 19

Twierdzenie (warunek konieczny istnienia ekstremum funkcji dwóch zmiennych) Jeżeli funkcja f spełnia warunki:

1. ma ekstremum lokalne w punkcie x ,

0 y0 ,

∂ f

∂ f

2. istnieją pochodne cząstkowe

, ,

,

∂ x0 y0

x0 y0 ,

x

∂y

to

∂ f

∂

,

f

=

, =

∂ x0 y0

0,

x0 y0

0.

x

∂y

Uwaga

Implikacja odwrotna nie jest prawdziwa.

Zerowanie się w punkcie obu pochodnych cząstkowych nie gwarantuje istnienia ekstremum lokalnego w danym punkcie.

Przykładem takich przypadków mogą być funkcje: f (x, y) = −x3, f (x, y) = x2y.

W obu przypadkach pochodne cząstkowe zerują się w punkcie (0, 0), ale funkcje te nie posiadają w tym punkcie ekstremów lokalnych.

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 20

Uwaga

Funkcja może mieć ekstrema tylko w punktach, w których wszystkie jej pochodne cząstkowe rzędu pierwszego są równe 0 albo w punktach, w których choć jedna z nich nie istnieje (np. z = px2 + y2).

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 21

Twierdzenie (warunek wystarczający istnienia ekstremum funkcji dwóch zmiennych) Jeżeli funkcja f ma ciągłe pochodne cząstkowe drugiego rzędu na otoczeniu punktu x ,

0 y0 oraz spełnia warunki:

∂ f

∂ f

1.

, =

, =

∂ x0 y0

0,

x0 y0

0.

x

∂y

∂2 f

∂2 f

x ,

,

0 y0

x0 y0

∂x2

∂x∂y

2. W x ,

>

0 y0 =

0

∂2 f

∂2 f

,

,

x0 y0

x0 y0

∂y∂x

∂

y2

to w punkcie x ,

0 y0 funkcja f ma ekstremum lokalne właściwe i jest to:

∂2 f

• minimum, gdy

x , y > 0

∂

0

0

x2

∂2 f

• maksimum, gdy

x , y < 0.

∂

0

0

x2

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 22

Uwaga

W przypadku, gdy W x ,

<

,

0 y0

0 funkcja f nie ma w punkcie x0 y0 ekstre-

mum lokalnego. Dla W x ,

0 y0 = 0 badanie istnienia ekstremum lokalnego w punkcie

x ,

0 y0 przeprowadza się innymi metodami np. z definicji.

Przykład

Znajdź ekstrema lokalne funkcji:

a) f (x, y) = 3 x3 + 3 x2y − y3 − 15x

b) f (x, y) = ex−y x2 − 2 y2

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 23

Ekstrema globalne funkcji dwóch zmiennych

Definicja (wartość namniejsza i największa na zbiorze)

1. Liczba m jest warością najmniejszą na zbiorze A ⊂ D f , jeżeli w tym zbiorze istnieje punkt, w którym ta funkcja przyjmuje warość m oraz dla dowolnego punktu (x, y) ∈ A zachodzi

f (x, y) > m ∨ f (x, y) = m.

2. Liczba M jest warością największą na zbiorze A ⊂ D f , jeżeli w tym zbiorze istnieje punkt, w którym ta funkcja przyjmuje warość M oraz dla dowolnego punktu (x, y) ∈ A zachodzi

f (x, y) < M ∨ f (x, y) = M.

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 24

Algorytm szukania ekstremów globalnych funkcji na obszarze domkniętym Wartości najmniejszej i największej na ograniczonym obszarze domkniętym D

poszukujemy w następujący sposób:

1. wewnątrz obszaru D szukamy punktów, w których funkcja może mieć ekstrema lokalne (nie sprawdzamy, czy rzeczywiście nimi są),

2. na brzegu rozważanego obszaru szukamy punktów, w których występują wartości najiwiększe i najmniejsze

3. porównujemy otrzymane wartości i wybieramy namniejszą i największą

Inżynieria Materiałowa -

- sem.II -

mgr Małgorzata Suchecka - 25

Przykład

Znajdź ekstrema globalne funkcji:

a) f (x, y) = x2 + y2 − x y + x + y na obszarze ograniczonym przez proste x = 0, y = 0, x + y + 3 = 0;

b) f (x, y) = x2 + 2 x y − 4 x + 8 y na obszarze 0 6 x 6 1, 0 6 y 6 2; c) f (x, y) = x2 − y2 na obszarze x2 + y2 6 4