Производная сложной функции с двумя переменными. Производная и дифференциал сложной функции нескольких переменных. Производная сложной функции от нескольких переменных
Частные производные применяются в заданиях с функциями нескольких переменных. Правила нахождения точно такие же как и для функций одной переменной, с разницей лишь в том, что одну из переменных нужно считать в момент дифференцирования константой (постоянным числом).
Формула
Частные производные для функции двух переменных $ z(x,y) $ записываются в следующем виде $ z"_x, z"_y $ и находятся по формулам:
Частные производные первого порядка
$$ z"_x = \frac{\partial z}{\partial x} $$
$$ z"_y = \frac{\partial z}{\partial y} $$
Частные производные второго порядка
$$ z""_{xx} = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial x} $$
$$ z""_{yy} = \frac{\partial^2 z}{\partial y \partial y} $$
Смешанная производная
$$ z""_{xy} = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} $$
$$ z""_{yx} = \frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x} $$
Частная производная сложной функции
а) Пусть $ z (t) = f(x(t), y(t)) $, тогда производная сложной функции определяется по формуле:
$$ \frac{dz}{dt} = \frac{\partial z}{\partial x} \cdot \frac{dx}{dt} + \frac{\partial z}{\partial y} \cdot \frac{dy}{dt} $$
б) Пусть $ z (u,v) = z(x(u,v),y(u,v)) $, тогда частные производные функции находится по формуле:
$$ \frac{\partial z}{\partial u} = \frac{\partial z}{\partial x} \cdot \frac{\partial x}{\partial u} + \frac{\partial z}{\partial y} \cdot \frac{\partial y}{\partial u} $$
$$ \frac{\partial z}{\partial v} = \frac{\partial z}{\partial x} \cdot \frac{\partial x}{\partial v} + \frac{\partial z}{\partial y} \cdot \frac{\partial y}{\partial v} $$
Частные производные неявно заданной функции
а) Пусть $ F(x,y(x)) = 0 $, тогда $$ \frac{dy}{dx} = -\frac{f"_x}{f"_y} $$
б) Пусть $ F(x,y,z)=0 $, тогда $$ z"_x = - \frac{F"_x}{F"_z}; z"_y = - \frac{F"_y}{F"_z} $$
Примеры решений
| Пример 1 |
| Найти частные производные первого порядка $ z (x,y) = x^2 - y^2 + 4xy + 10 $ |
| Решение |
|
Для нахождения частной производной по $ x $ будем считать $ y $ постоянной величиной (числом): $$ z"_x = (x^2-y^2+4xy+10)"_x = 2x - 0 + 4y + 0 = 2x+4y $$ Для нахождения частной производной функции по $ y $ определим $ y $ константой: $$ z"_y = (x^2-y^2+4xy+10)"_y = -2y+4x $$ Если не получается решить свою задачу, то присылайте её к нам. Мы предоставим подробное решение. Вы сможете ознакомиться с ходом вычисления и почерпнуть информацию. Это поможет своевременно получить зачёт у преподавателя! |
| Ответ |
| $$ z"_x = 2x+4y; z"_y = -2y+4x $$ |
| Пример 2 |
| Найти частные производные функции второго порядка $ z = e^{xy} $ |
| Решение |
|
Сперва нужно найти первый производные, а затем зная их можно найти производные второго порядка. Полагаем $ y $ константой: $$ z"_x = (e^{xy})"_x = e^{xy} \cdot (xy)"_x = ye^{xy} $$ Положим теперь $ x $ постоянной величиной: $$ z"_y = (e^{xy})"_y = e^{xy} \cdot (xy)"_y = xe^{xy} $$ Зная первые производные аналогично находим вторые. Устанавливаем $ y $ постоянной: $$ z""_{xx} = (z"_x)"_x = (ye^{xy})"_x = (y)"_x e^{xy} + y(e^{xy})"_x = 0 + ye^{xy}\cdot (xy)"_x = y^2e^{xy} $$ Задаем $ x $ постоянной: $$ z""_{yy} = (z"_y)"_y = (xe^{xy})"_y = (x)"_y e^{xy} + x(e^{xy})"_y = 0 + x^2e^{xy} = x^2e^{xy} $$ Теперь осталось найти смешанную производную. Можно продифференцировать $ z"_x $ по $ y $, а можно $ z"_y $ по $ x $, так как по теореме $ z""_{xy} = z""_{yx} $ $$ z""_{xy} = (z"_x)"_y = (ye^{xy})"_y = (y)"_y e^{xy} + y (e^{xy})"_y = ye^{xy}\cdot (xy)"_y = yxe^{xy} $$ |
| Ответ |
| $$ z"_x = ye^{xy}; z"_y = xe^{xy}; z""_{xy} = yxe^{xy} $$ |
| Пример 4 |
| Пусть $ 3x^3z - 2z^2 + 3yz^2-4x+z-5 = 0 $ задаёт неявную функцию $ F(x,y,z) = 0 $. Найти частные производные первого порядка. |
| Решение |
|
Записываем функцию в формате: $ F(x,y,z) = 3x^3z - 2z^2 + 3yz^2-4x+z-5 = 0 $ и находим производные: $$ z"_x (y,z - const) = (x^3 z - 2z^2 + 3yz^2-4x+z-5)"_x = 3 x^2 z - 4 $$ $$ z"_y (x,y - const) = (x^3 z - 2z^2 + 3yz^2-4x+z-5)"_y = 3z^2 $$ |
| Ответ |
| $$ z"_x = 3x^2 z - 4; z"_y = 3z^2; $$ |
Пример. Найти , если , где .
Решение. По формуле (1) имеем:
Пример. Найти частную производную и полную производную , если .
Решение. .
На основании формулы (2) получаем 
.
2°. Случай нескольких независимых переменных.
Пусть z = f(x;y) - функция двух переменных х и у, каждая из которых является функцией
независимой переменной t: х = x(t), у = y(t). В этом случае функция z=f(x(t);y(t)) является
сложной функцией одной независимой переменной t; переменные х и у - промежуточные переменные.
Теорема . Если z == f (x; у) - дифференцируемая в точке М(х;у) D функция
и х = x(t) и у =y(t) - дифференцируемые функции независимой переменной t,
то производная сложной функции z(t) == f (x(t);y(t)) вычисляется по формуле
 | (3) |
Частный случай: z = f(x; у), где у = у(х), т.е. z = f(x;y(x)) - сложная функция одной
независимой переменной х. Этот случай сводится к предыдущему, причем роль переменной
t играет х. Согласно формуле (3) имеем:
.
Последняя формула носит название формулы полной производной.
Общий случай: z = f(x;y), где х = x(u;v), y=y(u;v). Тогда z = f{x(u;v);y(u;v)) - сложная
функция независимых переменных и и v. Ее частные производные и можно найти,
используя формулу (3) следующим образом. Зафиксировав v, заменяем в ней ,
соответствующими частными производными
Таким образом, производная сложной функции (z) по каждой независимой переменной (и и v)
равна сумме произведений частных производных этой функции (z) по ее промежуточным
переменным (x и у) на их производные по соответствующей независимой переменной (u и v).
Во всех рассмотренных случаях справедлива формула
(свойство инвариантности полного дифференциала).
Пример. Найти и , если z=f (x,y), где x=uv, .
1°. Случай одной независимой переменной
. Если
z=f(x,y) есть дифференцируемая функция аргументов х и у, которые в свою очередь
являются дифференцируемыми функциями независимой переменной t
: , то производная
сложной функции 
может
быть вычислена по формуле
Пример. Найти , если , где .
Решение. По формуле (1) имеем:
Пример
. Найти частную
производную и
полную производную ,
если 
.
Решение. .
На основании формулы (2) получаем 
.
2°. Случай нескольких независимых переменных.
Пусть z = f (x ; y ) - функция двух переменных х и у, каждая из которых является функцией независимой переменной t : х = x (t ), у = y (t ). В этом случае функция z = f (x (t ); y (t )) является сложной функцией одной независимой переменной t; переменные х и у - промежуточные переменные.
Теорема . Если z == f (x ; у) - дифференцируемая в точке М(х;у) D функция и х = x (t ) и у =y (t ) - дифференцируемые функции независимой переменной t, то производная сложной функции z (t ) == f (x (t ); y (t )) вычисляется по формуле
|
|
Частный случай: z = f (x ; у), где у = у(х), т.е. z = f (x ; y (x )) - сложная функция одной независимой переменной х. Этот случай сводится к предыдущему, причем роль переменной t играет х. Согласно формуле (3) имеем:
.
Последняя формула носит название формулы полной производной.
Общий случай: z = f (x ; y ), где х = x (u ; v ), y = y (u ; v ). Тогда z = f { x (u ; v ); y (u ; v )) - сложная функция независимых переменных и и v . Ее частные производные и можно найти, используя формулу (3) следующим образом. Зафиксировав v, заменяем в ней , соответствующими частными производными
Таким образом, производная сложной функции (z ) по каждой независимой переменной (и и v) равна сумме произведений частных производных этой функции (z) по ее промежуточным переменным (x и у) на их производные по соответствующей независимой переменной (u и v).
Во всех рассмотренных случаях справедлива формула
(свойство инвариантности полного дифференциала).
Пример. Найти и , если z =f (x ,y ), где x =uv , .
Решение. Применяя формулы (4) и (5), получим:
Пример. Показать, что функция удовлетворяет уравнению 
.
Решение. Функция зависит от х и у через промежуточный аргумент , поэтому
Подставив частные производные в левую часть уравнения, будем иметь:
Т. е. функция z удовлетворяет данному уравнению.
Производная в данном направлении и градиент функции
1°. Производная функции в данном направлении
. Производной
функции z=f
(x,y) в данном направлении
называется 
, где и - значения функции в точках и . Если функция z
дифференцируема, то справедлива формула
где - углы между направлением l и соответствующими координатными осями. Производная в данном направлении характеризует скорость изменения функции в этом направлении.
Пример. Найти производную функции z = 2х 2 - Зу 2 в точке P (1; 0) в направлении, составляющем с осью ОХ угол в 120°.
Решение. Найдем частные производные данной функции и их значения в точке P .
Приводится доказательство формулы производной сложной функции. Подробно рассмотрены случаи, когда сложная функция зависит от одной и двух переменных. Производится обобщение на случай произвольного числа переменных.
СодержаниеСм. также: Примеры применения формулы производной сложной функции
Основные формулы
Здесь мы приводим вывод следующих формул для производной сложной функции.
Если ,
то
.
Если ,
то
.
Если ,
то
.
Производная сложной функции от одной переменной
Пусть функцию от переменной x
можно представить как сложную функцию в следующем виде:
,
где и есть некоторые функции. Функция дифференцируема при некотором значении переменной x
.
Функция дифференцируема при значении переменной .
Тогда сложная (составная) функция дифференцируема в точке x
и ее производная определяется по формуле:
(1)
.
Формулу (1) также можно записать так:
;
.
Доказательство
Введем следующие обозначения.
;
.
Здесь есть функция от переменных и ,
есть функция от переменных и .
Но мы будем опускать аргументы этих функций, чтобы не загромождать выкладки.
Поскольку функции и дифференцируемы в точках x
и ,
соответственно, то в этих точках существуют производные этих функций, которые являются следующими пределами:
;
.
Рассмотрим следующую функцию:
.
При фиксированном значении переменной u
,
является функцией от .
Очевидно, что
.
Тогда
.
Поскольку функция является дифференцируемой функцией в точке ,
то она непрерывна в этой точке. Поэтому
.
Тогда
.
Теперь находим производную.
.
Формула доказана.
Следствие
Если функцию от переменной x
можно представить как сложную функцию от сложной функции
,
то ее производная определяется по формуле
.
Здесь ,
и есть некоторые дифференцируемые функции.
Чтобы доказать эту формулу, мы последовательно вычисляем производную по правилу дифференцирования сложной функции.
Рассмотрим сложную функцию
.
Ее производная
.
Рассмотрим исходную функцию
.
Ее производная
.
Производная сложной функции от двух переменных
Теперь пусть сложная функция зависит от нескольких переменных. Вначале рассмотрим случай сложной функции от двух переменных .
Пусть функцию ,
зависящую от переменной x
,
можно представить как сложную функцию от двух переменных в следующем виде:
,
где
и есть дифференцируемые функции при некотором значении переменной x
;
- функция от двух переменных, дифференцируемая в точке ,
.
Тогда сложная функция определена в некоторой окрестности точки и имеет в производную, которая определяется по формуле:
(2)
.
Доказательство
Поскольку функции и дифференцируемы в точке ,
то они определены в некоторой окрестности этой точки, непрерывны в точке и существуют их производные в точке ,
которые являются следующими пределами:
;
.
Здесь
;
.
В силу непрерывности этих функций в точке имеем:
;
.
Поскольку функция дифференцируема в точке ,
то она определена в некоторой окрестности этой точки, непрерывна в этой точке и ее приращение можно записать в следующем виде:
(3)
.
Здесь
- приращение функции при приращении ее аргументов на величины и ;
;
- частные производные функции по переменным и .
При фиксированных значениях и ,
и есть функции от переменных и .
Они стремятся к нулю при и :
;
.
Поскольку и ,
то
;
.
Приращение функции :
.
:
.
Подставим (3):
.
Формула доказана.
Производная сложной функции от нескольких переменных
Приведенный выше вывод легко обобщается на случай, когда число переменных сложной функции больше двух.
Например, если f
является функцией от трех переменных
, то
,
где
,
и есть дифференцируемые функции при некотором значении переменной x
;
- дифференцируемая функция, от трех переменных, в точке ,
,
.
Тогда, из определения дифференцируемости функции ,
имеем:
(4)
.
Поскольку, в силу непрерывности,
;
;
,
то
;
;
.
Разделив (4) на и выполнив предельный переход ,
получим:
.
И, наконец, рассмотрим самый общий случай
.
Пусть функцию от переменной x
можно представить как сложную функцию от n переменных в следующем виде:
,
где
есть дифференцируемые функции при некотором значении переменной x
;
- дифференцируемая функция от n
переменных в точке
,
,
... , .
Тогда
.
) мы уже неоднократно сталкивались с частными производными сложных функций наподобие и более трудными примерами. Так о чём же ещё можно рассказать?! …А всё как в жизни – нет такой сложности, которую было бы нельзя усложнить =) Но математика – на то и математика, чтобы укладывать многообразие нашего мира в строгие рамки. И иногда это удаётся сделать одним-единственным предложением:
В общем случае сложная функция имеет вид 
, где, по меньшей мере, одна
из букв представляет собой функцию
, которая может зависеть от произвольного
количества переменных.
Минимальный и самый простой вариант – это давно знакомая сложная функция одной переменной, производную которой
мы научились находить в прошлом семестре. Навыками дифференцирования функций вы тоже обладаете (взгляните на те же функции 
)
.
Таким образом, сейчас нас будет интересовать как раз случай . По причине великого разнообразия сложных функций общие формулы их производных имеют весьма громоздкий и плохо усваиваемый вид. В этой связи я ограничусь конкретными примерами, из которых вы сможете понять общий принцип нахождения этих производных:
Пример 1
Дана сложная функция , где 
. Требуется:
1) найти её производную и записать полный дифференциал 1-го порядка;
2) вычислить значение производной при .
Решение
: во-первых, разберёмся с самой функцией. Нам предложена функция, зависящая от и , которые в свою очередь являются функциями
одной переменной:
Во-вторых, обратим пристальное внимание на само задание – от нас требуется найти производнУЮ
, то есть, речь идёт вовсе не о частных производных , которые мы привыкли находить! Так как функция 
фактически зависит только от одной переменной, то под словом «производная» подразумевается полная производная
. Как её найти?
Первое, что приходит на ум, это прямая подстановка и дальнейшее дифференцирование. Подставим 
в функцию :
, после чего с искомой производной никаких проблем:
И, соответственно, полный дифференциал: 
Это решение математически корректно, но маленький нюанс состоит в том, что когда задача формулируется так, как она сформулирована – такого варварства от вас никто не ожидает =) А если серьёзно, то придраться тут действительно можно. Представьте, что функция описывает полёт шмеля, а вложенные функции меняются в зависимости от температуры. Выполняя прямую подстановку 
, мы получаем лишь частную информацию
, которая характеризует полёт, скажем, только в жаркую погоду. Более того, если человеку не сведущему в шмелях предъявить готовый результат и даже сказать, что это за функция, то он так ничего и не узнает о фундаментальном законе полёта!
Вот так вот совершенно неожиданно брат наш жужжащий помог осознать смысл и важность универсальной формулы:
Привыкайте к «двухэтажным» обозначениям производных – в рассматриваемом задании в ходу именно они. При этом следует быть очень аккуратным
в записи: производные с прямыми значками «дэ» – это полные производные
, а производные с округлыми значками – это частные производные
. С последних и начнём:
Ну а с «хвостами» вообще всё элементарно:
Подставим найденные производные в нашу формулу:
Когда функция изначально предложена в замысловатом виде, то будет логичным (и тому дано объяснение выше!)
оставить в таком же виде и результаты:
При этом в «навороченных» ответах лучше воздержаться даже от минимальных упрощений (тут, например, напрашивается убрать 3 минуса)
– и вам работы меньше, и мохнатый друг доволен рецензировать задание проще.
Однако не лишней будет черновая проверка. Подставим 
в найденную производную и проведём упрощения:
(на последнем шаге использованы тригонометрические формулы
, 
)
В результате получен тот же результат, что и при «варварском» методе решения.
Вычислим производную в точке . Сначала удобно выяснить «транзитные» значения (значения функций 
)
:
Теперь оформляем итоговые расчёты, которые в данном случае можно выполнить по-разному. Использую интересный приём, в котором 3 и 4 «этажа» упрощаются не по обычным правилам , а преобразуются как частное двух чисел:
И, конечно же, грех не проверить по более компактной записи 
:
Ответ
: 
Бывает, что задача предлагается в «полуобщем» виде:
«Найти производную функции , где 
»
То есть «главная» функция не дана, но её «вкладыши» вполне конкретны. Ответ следует дать в таком же стиле:
Более того, условие могут немного подшифровать:
«Найти производную функции 
»
В этом случае нужно самостоятельно
обозначить вложенные функции какими-нибудь подходящими буквами, например, через 
и воспользоваться той же формулой:
К слову, о буквенных обозначениях. Я уже неоднократно призывал не «цепляться за буквы», как за спасательный круг, и сейчас это особенно актуально! Анализируя различные источники по теме, у меня вообще сложилось впечатление, что авторы «пошли вразнос» и стали безжалостно бросать студентов в бурные пучины математики =) Так что уж простите:))
Пример 2
Найти производную функции 
, если 
Другие обозначения не должны приводить в замешательство! Каждый раз, когда вы встречаете подобное задание, нужно ответить на два простых вопроса:
1) От чего зависит «главная» функция? В данном случае функция «зет» зависит от двух функций («у» и «вэ»).
2) От каких переменных зависят вложенные функции? В данном случае оба «вкладыша» зависят только от «икса».
Таким образом, у вас не должно возникнуть трудностей, чтобы адаптировать формулу к этой задаче!
Краткое решение и ответ в конце урока.
Дополнительные примеры по первому виду можно найти в задачнике Рябушко (ИДЗ 10.1) , ну а мы берём курс на функцию трёх переменных :
Пример 3
Дана функция , где .
Вычислить производную в точке
Формула производной сложной функции , как многие догадываются, имеет родственный вид:
Решайте, раз догадались =)
На всякий случай приведу и общую формулу для функции :
, хотя на практике вы вряд ли встретите что-то длиннее Примера 3.
Кроме того, иногда приходится дифференцировать «урезанный» вариант – как правило, функцию вида либо . Оставляю вам этот вопрос для самостоятельного исследования – придумайте какую-нибудь простенькие примеры, подумайте, поэкспериментируйте и выведите укороченные формулы производных.
Если что-то осталось недопонятым, пожалуйста, неторопливо перечитайте и осмыслите первую часть урока, поскольку сейчас задача усложнится:
Пример 4
Найти частные производные сложной функции , где 
Решение
: данная функция имеет вид , и после прямой подстановки и мы получаем привычную функцию двух переменных:
Но такой страх не то чтобы не принято, а уже и не хочется дифференцировать =) Поэтому воспользуемся готовыми формулами. Чтобы вы быстрее уловили закономерность, я выполню некоторые пометки:
Внимательно просмотрите картинку сверху вниз и слева направо….
Сначала найдём частные производные «главной» функции:
Теперь находим «иксовые» производные «вкладышей»:
и записываем итоговую «иксовую» производную:
Аналогично с «игреком»:
и
Можно придерживаться и другого стиля – сразу найти все «хвосты» 
и потом записать обе производные.
Ответ
:
О подстановке 
что-то как-то совсем не думается =) =), а вот причесать результаты немножко можно. Хотя, опять же, зачем? – только усложните проверку преподавателю.
Если потребуется, то полный дифференциал
тут записывается по обычной формуле, и, кстати, как раз на данном шаге становится уместной лёгкая косметика:
Такой вот... ....гроб на колёсиках.
Ввиду популярности рассматриваемой разновидности сложной функции пара заданий для самостоятельного решения. Более простой пример в «полуобщем» виде – на понимание самой формулы;-):
Пример 5
Найти частные производные функции , где 
И посложнее – с подключением техники дифференцирования:
Пример 6
Найти полный дифференциал функции 
, где 
Нет, я вовсе не пытаюсь «отправить вас на дно» – все примеры взяты из реальных работ, и «в открытом море» вам могут попасться какие угодно буквы. В любом случае потребуется проанализировать функцию (ответив на 2 вопроса – см. выше) , представить её в общем виде и аккуратно модифицировать формулы частных производных. Возможно, сейчас немного попутаетесь, но зато поймёте сам принцип их конструирования! Ибо настоящие задачи только начинаются:)))
Пример 7
Найти частные производные и составить полный дифференциал сложной функции
, где
Решение
: «главная» функция имеет вид и по-прежнему зависит от двух переменных – «икса» и «игрека». Но по сравнению с Примером 4, добавилась ещё одна вложенная функция, и поэтому формулы частных производных тоже удлиняются. Как и в том примере, для лучшего вИдения закономерности, я выделю «главные» частные производные различными цветами:
И снова – внимательно изучите запись сверху вниз и слева направо.
Так как задача сформулирована в «полуобщем» виде, то все наши труды, по существу, ограничиваются нахождением частных производных вложенных функций:
Справится первоклассник:
И даже полный дифференциал получился вполне себе симпатичный:
Я специально не стал предлагать вам какую-то конкретную функцию – чтобы лишние нагромождения не помешали хорошо разобраться в принципиальной схеме задачи.
Ответ
: 
Довольно часто можно встретить «разнокалиберные» вложения, например:
Здесь «главная» функция хоть и имеет вид , но всё равно зависит и от «икс», и от «игрек». Поэтому работают те же самые формулы – просто некоторые частные производные будут равны нулю. Причём, это справедливо и для функций вроде 
, у которых каждый «вкладыш» зависит от какой-то одной переменной.
Похожая ситуация имеет место и в двух заключительных примерах урока:
Пример 8
Найти полный дифференциал сложной функции в точке
Решение
: условие сформулировано «бюджетным» образом, и мы должны сами обозначить вложенные функции. По-моему, неплохой вариант:
Во «вкладышах» присутствуют (ВНИМАНИЕ!
) ТРИ буквы – старые-добрые «икс-игрек-зет», а значит, «главная» функция фактически зависит от трёх переменных. Её можно формально переписать в виде , и частные производные в этом случае определяются следующими формулами:
Сканируем, вникаем, улавливаем….
В нашей задаче:
