1. Trang chủ
  2. » Giáo Dục - Đào Tạo

Chương 4: Phép tính vi phân của hàm nhiều biến pdf

8 1,6K 6
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Chương 4: Phép tính vi phân của hàm nhiều biến
Trường học Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
Chuyên ngành Toán Học
Thể loại Giáo trình
Năm xuất bản 2023
Thành phố Hồ Chí Minh
Định dạng
Số trang 8
Dung lượng 176,37 KB

Các công cụ chuyển đổi và chỉnh sửa cho tài liệu này

Nội dung

Ta cũng gọi mọi tập hợp chứa một -lân cận của M0 là lân cận của điểm M0.. Tính chất i Giới hạn của hàm số nhiều biến là duy nhất.. Như vậy giới hạn trên là không tồn tại... Nhưng không

Trang 1

Chương 4

PHÉP TÍNH VI PHÂN CỦA HÀM

NHIỀU BIẾN

4.1 Khái niệm mở đầu

4.1.1 Không gian Rn

a Không gian Rn

Tập Rn= R.R R| {z }

n

= {(x1, x2, , xn), xi ∈ R, i = 1, 2, , n}

Cho x = (x1, x2, , xn) ∈ Rn, y = (y1, y2, yn) ∈ Rn, k ∈ R ta có

x + y = (x1, x2, , xn) ∈ Rn, y = (y1, y2, , yn) ∈ Rn

kx = (kx1, kx2, , kxn) ∈ R Khi đó Rn cùng hai phép toán trên lập thành không gian vector

b Khoảng cách, chuẩn trong Rn

Giả sử M (x1, x2, , xn) , N (y1, y2, , yn) ∈ Rn Khoảng cách giữa hai điểm M và N, kí hiệu d(M, N ), được định nghĩa bằng

d(M, N ) =

 X n i=1

(xi− yi)

‹1

2

Chú ý: ∀A, B, C ∈ R thì d(A, C) ≤ d(A, B) + d(B, C) (bất đẳng thức tam giác)

Ta gọi chuẩn của x = (x1, x2, xn) ∈ Rn là số

||x|| =È

x2

1+ x2

2+ + x2

n Nếu n = 1 thì ||x|| = |x|

c Lân cận, điểm tụ

M0 ∈ R Ta gọi −lân cận của M0 là tập hợp tất cả những điểm M ∈ R sao cho d(M0, M ) < 

Ta cũng gọi mọi tập hợp chứa một  -lân cận của M0 là lân cận của điểm M0 Kí hiệu B(a) Cho X ⊂ Rn Điểm a ∈ Rn gọi là điểm tụ của tập X nếu mọi  > 0, B(a) đều chứa những điểm thuộc X khác a (∀ > 0, ∃x ∈ X : 0 < ||x − a|| < .)

4.1.2 Định nghĩa hàm số nhiều biến số

Định nghĩa 4.1 Cho tập X ⊂ Rn Một quy tắc f đặt tương ứng mỗi điểm x = (x1, x2, , xn) ∈ X với một số thực u = f (x1, x2, xn) ∈ Rn gọi là một hàm n biến số có miền xác định là tập X

Kí hiệu u = f (x), x ∈ X hoặc x 7→ f (x), x ∈ X

Trang 2

Ví dụ 4.1 f (x, y) = ln(1 − x2 − y2) là hàm hai biến có miền xác định là hình tròn mở (không kể biên) tâm O, bán kính 1

Ví dụ 4.2 f (x, y, z) = xyz

x2+ y2+ z2 là hàm ba biến có miền xác định là R3\{0, 0, 0}

4.1.3 Giới hạn của hàm số nhiều biến số

1 Định nghĩa

Định nghĩa 4.2 Cho hàm u = f (x) xác định trên tập X ⊂ Rn, a là một điểm tụ của X Khi đó

ta nói hàm f (x) có giới hạn là A khi x dần đến a nếu mọi dãy {ak} ⊂ {a} mà lim

x→∞ak = a ta đều có lim

x→∞{ak} = A

Kí hiệu lim

x→af (x) = A hay f (x) → A, x → a

Chú ý rằng, x = (x1, x2, xn) → a = (a1, a2, an) khi xi → ai(i = 1, , n)

2 Tính chất

i) Giới hạn của hàm số nhiều biến là duy nhất

ii) Nếu có lim

x→af (x) = A, lim

x→ag (x) = B thì lim

x→a(f (x) ± g (x)) = A ± B;

lim

x→af (x) g (x) = AB;

lim

x→a

f (x)

g (x) =

A

B (B 6= 0)

3 Ví dụ

Ví dụ 4.3 Tính lim

x→0 y→1

2x − 3

x2+ y2

HD Hàm f (x) = 2x − 3

x2+ y2 có miền xác định R2\{0, 0}

Xét dãy tuỳ ý {(xn, yn)} ⊂ R2\ {(0, 0) ; (0, 1)} , xn→ 0, yn→ 1 ta có: 2xn− 3

x2

n+ y2 n

→ 2.0 − 3

02+ 12 = −3 Vậy, limf (x)

x→0

y→1

= −3

Ví dụ 4.4 Tính lim

x→0 y→0

x

y − x

HD Chọn dãy xn = 1

n, yn =

2

n thì (xn, yn) → (0, 0) và

xn

yn− xn = 1 → 1 Mặt khác nếu ta chọn dãy x0n = 1

n, y

0

n = 3

n thì và

xn

yn− xn =

1

2 → 1

2 Như vậy giới hạn trên là không tồn tại.

4 Giới hạn lặp

Cho hàm hai biến f (x, y) xác định trên tập X, (x0, y0) là điểm tụ của tập X, với y 6= y0 đặt : g(y) = lim

x→x 0

f (x, y)

Nếu tồn tại lim

y→y 0

g (y) = A thì ta gọi A là giới hạn lặp của hàm f (x, y) khi x → x0, y → y0 và

kí hiệu là : lim

y→y 0

lim

x→x 0

f (x, y) Tương tự ta có giới hạn lặp : lim

x→x lim

y→y f (x, y)

Trang 3

Ví dụ 4.5 a.

lim

y→0lim

x→0

x

y − x = limy→00 = 0 lim

x→0lim

y→0

x

y − x = limx→0

x

−x = −1

* Giới hạn lim

x→0 y→0

x

y − x là không tồn tại.

b Tồn tại giới kép lim

x→0 y→0

x sin1

y = 0



x sin

1 y

≤ |x| → 0

‹

Nhưng không tồn tại giới hạn lặp vì

không tồn tại lim

y→y 0

sin1

y. 4.1.4 Tính liên tục và liên tục đều của hàm số nhiều biến

Định nghĩa 4.3 Cho hàm u = f (x) xác định trên tập X ⊂ Rn Hàm f (x) gọi là liên tục tại điểm

x0 ∈ X nếu lim

x→x 0

f (x) = f (x0)

Nếu f(x) liên tục tại mọi x ∈ X ta nói f (x) liên tục trên tập X

Hàm f (x) được gọi là liên tục đều trên tập X nếu :

∀ε > 0, ∃δ > 0, ∀x, y ∈ X : kx − yk < δ ⇒ kf (x) − f (y)k < ε Nhận xét: Nếu f (x) liên tục đều trên X thì liên tục trên X Ngược lại nói chung không đúng Định nghĩa 4.4 Tập K ⊂ Rn được gọi là tập compăc nếu mọi dãy ¦

ak =€

xk1, xk2, , xknЩ

⊂ K đều

có dãy con hội tụ tới a ∈ K

i) Nếu hàm f (x) liên tục trên tập compăc K nằm trong Rn thì đạt cận trên đúng và cận dưới đúng trên K, tức là tồn tại a, b ∈ K sao cho f (a) ≤ f (x) ≤ f (b), ∀x ∈ K

ii) Nếu hàm f (x) liên tục trên tập compăc K ⊂ Rn thì f (x) liên tục đều trên K

4.2 Đạo hàm riêng

4.2.1 Định nghĩa

Định nghĩa 4.5 Giả sử hàm số z = f (x, y) xác định trên một -lân cận của điểm (x0, y0) Cho x

số gia ∆x Khi đó ta có số gia hàm số tại (x0, y0) là : ∆xf = f (x0+ ∆x, y0) − f (x0, y0)

Nếu tồn tại và hữu hạn giới hạn lim

∆x→0

∆xf

∆x thì giới hạn đó gọi là đạo hàm riêng của hàm z = f (x, y) theo biến x tại điểm (x0, y0) và ký hiệu là ∂f

∂x(x0, y0) hoặc f

0

x(x0, y0) Nhận xét : Đạo hàm riêng theo biến x là đạo hàm của hàm z = f (x, y) theo biến x nếu coi y là hằng số

Tương tự ta có đạo hàm riêng theo biến y Kí hiệu là z = f (x, y) hoặc fy0(x0, y0)

Cho hàm n biến u = f (x1, x2, , xn) thì đạo hàm riêng theo biến xi là đạo hàm của hàm theo xi (như hàm một biến) nếu coi tất cả các biến khác là hằng số Kí hiệu ∂f

∂xi hoặc f

0

x i

Ví dụ 4.6 a Cho f (x, y) = x3− 2xy2+ y ta có

∂f

∂x(x, y) = 3x

2− 2y2, ∂f

∂y (x, y) = −4xy + 1

∂f

∂x(1, 0) = 3,

∂f

∂y (1, 0) = 1

Trang 4

b) f (x, y) = |x| ta có f (0, y) = 0 ⇒ ∂f

∂y (0, 0) = 0 nhưng f (x, 0) = |x| là hàm một biến không

có đạo hàm tại x = 0 nên không tồn tại ∂f

∂x(0, 0) 4.2.2 Đạo hàm riêng cấp cao, định lý Schawartz

a Định nghĩa đạo hàm riêng cấp cao

Xét hàm hai biến z = f (x, y) ta có:

∂x

‚

∂f

∂x

Œ

= ∂

2f

∂x2 = fxx00 = fx002

∂y

‚

∂f

∂x

Œ

= ∂

2f

∂x∂y = f

00 xy

∂x

‚

∂f

∂y

Œ

= ∂

2f

∂y∂x = f

00 yx

∂y

‚

∂f

∂y

Œ

= ∂

2f

∂y2 = fyy00 = fy002

Ví dụ 4.7 Cho hàm f (x, y) = x3y + eysin x

Ta có

∂f

∂x = 3x

2y + eycos x; ∂f

∂y = x

3+ eysin x

∂2f

∂x2 = fx002 = 6xy − eysin x

∂2f

∂x∂y = f

00

xy = 3x2+ eycos x

∂2f

∂y∂x = f

00

yx = 3x2+ eycos x

∂2f

∂y2 = fy002 = eysin x

b Định lý Schawartz

Nếu các đạo hàm hỗn hợp fxy00 , fyx00 xác định và liên tục trong một  -lân cận của điểm x0, y0 thì : fxy00 (x0, y0) = fyx00 (x0, y0)

4.3 Vi phân của hàm hai biến số

4.3.1 Định nghĩa

Cho hàm số hai biến z = f (x, y) xác định trong một lân cận của điểm (x0, y0) Cho x số gia

∆x , y số gia ∆y Khi đó ta gọi số gia toàn phần của hàm f (x, y) tại (x0, y0) là : ∆f (x0, y0) =

f (x0+ ∆x, y0+ ∆y) − f (x0, y0)

Hàm f (x, y) được gọi là khả vi tại (x0, y0) nếu số gia toàn phần ∆f tại (x0, y0) có thể viết dưới dạng :

∆f (x0, y0) = A∆x + B∆y + α∆x + β∆y trong đó A, B là các hằng số, α → 0 & β → 0 khi ∆x → 0 &∆y → 0 Kí hiệu là df (x0, y0) = A∆x + B∆y và gọi là vi phân của hàm f (x, y) tại điểm (x0, y0)

Trang 5

4.3.2 Điều kiện khả vi

Định lý 4.1 Nếu hàm f (x, y) khả vi tại (x0, y0) thì nó liên tục tại (x0, y0)

Định lý 4.2 Nếu hàm f (x, y) khả vi tại (x0, y0) thì nó có các đạo hàm riêng tại (x0, y0) , hơn nữa

fx0 (x0, y0) = A; fy0(x0, y0) = B

Định lý 4.3 Nếu hàm f (x, y) xác định trong một − lân cận của điểm (x0, y0), có các đạo hàm riêng fx0, fy0 liên tục tại điểm (x0, y0) thì hàm f (x, y) khả vi tại (x0, y0)

4.3.3 Đạo hàm của hàm hợp và đạo hàm của hàm ẩn

a Đạo hàm hàm hợp

Cho hàm z = f (x, y) có các đạo hàm riêng liên tục trong một miền mở D, x = x (t) , y =

y (t) , t ∈ (a, b) là các hàm khả vi sao cho (x (t) , y (t)) ∈ D Ta có dz

dt =

∂z

∂x

∂x

∂t +

∂z

∂y

∂y

∂t. Nếu hàm z = f (x, y) = f (x (u, v) , y (y, v)) thì khi lấy đạo hàm theo u ta coi v như là hằng số và ngược lại nên ta có :

∂z

∂u =

∂z

∂x

∂x

∂u +

∂z

∂y

∂y

∂u

∂z

∂v =

∂z

∂x

∂x

∂v +

∂z

∂y

∂y

∂v Trường hợp đặc biệt z = f (x, y) = f (x, y (x)) thì ta có dz

dx =

∂f

∂x +

∂f

∂y

dy

dx.

b Đạo hàm của hàm ẩn

Cho phương trình F (x, y) = 0 trong đó F (x, y) xác định trong một miền mở D ⊂ R2

Nếu tồn tại khoảng (a, b) để mọi x ∈ (a, b), tồn tại y = y(x) sao cho F (x, y(x)) thì ta nói

F (x, y) = 0 xác định một hàm ẩn y theo x

Định lý 4.4 Cho hàm F (x, y) thỏa mãn các điều kiện:

i) Xác định và liên tục trong lân cận Bε(x0, y0) ;

ii) F (x0, y0) = 0;

iii) Fx0, Fy0 tồn tại và liên tục trong lân cận Bε(x0, y0) ;

iv) Fy0(x0, y0) 6= 0

Khi đó phương trình F (x, y) = 0 xác định một hàm ẩn y = y(x), x ∈ (x0− δ, x0+ δ) sao cho

y (x0) = y0 và F (x, y (x)) = 0 với mọi x ∈ (x0− δ, x0+ δ)

Hàm y = y(x) có đạo hàm liên tục trên (x0− δ, x0+ δ) và có các công thức yx0 = −F

0 x

F0 y

€

Fy0 6= 0Š

Định lý 4.5 Cho hàm số F (x, y, z) thoả mãn các điều kiện

i) Xác định và liên tục trong lân cận Bε(x0, y0, z0) ;

ii) F (x0, y0, z0) = 0;

iii) Fx0, Fy0, Fz0tồn tại và liên tục trong Bε(x0, y0, z0) ;

iv) Fz0(x0, y0, z0) 6= 0

Khi đó phương trình F (x, y, z) = 0 xác định một hàm ẩn Z = Z (x, y) , (x, y) ∈ Bδ(x0, y0) sao cho Z (x0, y0) = Z0 và F (x, y, Z (x, y)) = 0, ∀ (x, y) ∈ Bδ(x0, y0)

Hàm Z = Z (x, y) có các đạo hàm riêng liên tục trên Bδ(x0, y0) và

Zx0 = −F

0 x

F0 z

; Zy0 = −F

0 y

F0 z

(Fz0 6= 0)

Trang 6

4.4 Cực trị của hàm hai biến số

4.4.1 Công thức Taylor của hàm hai biến số

Cho hàm f (x, y) có các đạo hàm riêng đến cấp n + 1 trong -lân cận Bε(x0, y0) Với các giá trị

h, k đủ bé

‚

|h| < √ε

2, |y| <

ε

√ 2

Œ

đặt F (t) = f (x, y) = f (x0+ ht, y0+ kt) , t ∈ [0, 1]

Do hàm F (t) khả vi đến cấp n + 1 trên đoạn [0, 1] nên theo công thức Taylor của hàm một biến

ta có :

F (1) = F (0) +F

0(0) 1! +

F00(0) 2! + +

F(n)(0) n! +

F(n+1)(0) (n + 1)! , θ ∈ (0, 1)

Ta có F0(t) = hfx0 (x, y) + kfy0(x, y) với x = x0+ h, y = y0+ k

Từ đó ta cũng có F00(t) = h2fx002(x, y) + k2fy002(x, y)

Hay có thể viết một cách hình thức F00(t) = d

2F

dt2 =

‚

∂xh +

∂yk

Œ2

f (x, y) Bằng qui nạp ta có d

nF

dtn =

‚

∂xh +

∂yk

Œn

f (x, y)

4.4.2 Cực trị của hàm hai biến số

a Định nghĩa

Định nghĩa 4.6 Cho hàm hai biến số z = f (x, y) xác định trong một lân cận điểm (x0, y0) Điểm (x0, y0) được gọi là điểm cực đại (hay cực tiểu) của hàm z = f (x, y) nếu tồn tại  > 0 sao cho

f (x, y) ≤ f (x0, y0)



f (x, y) ≥ f (x0, y0)

‹

với mọi (x, y) ∈ Bε(x0, y0) Nếu các bất đẳng thức trên là thực sự tại (x, y) ∈ Bε(x0, y0) , (x, y) 6= (x0, y0) thì ta nói các điểm

là cực đại (hay cực tiểu) thực sự

Các điểm cực đại (cực tiểu) gọi chung là các điểm cực trị

b Điều kiện cần và đủ để hàm hai biến có cực trị

Định lý 4.6 (Điều kiện cần) Nếu hàm f (x, y) có cực trị tại điểm (x0, y0) mà tồn tại các đạo hàm riêng fx0, fy0 thì các đạo hàm đó bằng 0

* Các điểm mà tại đó các đạo hàm riêng bằng 0 được gọi là các điểm dừng

Định lý 4.7 (Điều kiện đủ) Cho hàm số f (x, y) có các đạo hàm riêng đến cấp 2 liên tục trong một lân cận của từng điểm dừng (x0, y0)

Đặt A = fx002(x0, y0) , B = fxy00 (x0, y0) , C = fy002(x0, y0) và ∆ = AC − B2

Khi đó :

i) Nếu ∆ > 0 thì hàm đạt cực trị tại (x0, y0)., hơn nữa nếu A > 0 thì hàm đạt cực tiểu thực sự,

A < 0 thì hàm đạt cực đại thực sự tại (x0, y0)

ii) Nếu ∆ < 0 thì hàm không đạt cực trị tại (x0, y0)

iii) Nếu ∆ = 0 thì hàm có thể đạt cực trị hoặc không đạt cực trị tại (x0, y0)

Ví dụ 4.8 Tìm cực trị của hàm số f (x, y) = x3 + y3− 3xy

HD Ta có fx0 (x, y) = 3x2− 3y, f0

y(x, y) = 3y2− 3x Giải hệ

¨

3x2− 3y = 0 3y2 − 3x = 0 ta tìm được hai điểm dừng là (1, 1)và (0, 0).

Trang 7

Vì fx002 = 6x, fxy00 = −3, fy002 = 6y nên :

+ Tại điểm (1, 1) có A = 6, B = −3, C = 6 Vì ∆ = 27 > 0 và A > 0 nên (1, 1) là điểm cực tiểu

và f (1, 1) = −1

+ Tại (0, 0) có A = 0, B = −3, C = 0 suy ra ∆ = −9 < 0 nên điểm (0, 0) không phải là điểm cực trị

BÀI TẬP CHƯƠNG 4 4.1 Tính đạo hàm riêng cấp một của các hàm số sau:

a) f (x, y) = x

3+ y3

x2+ y2;

b) f (x, y) = ln(x +√

x2+ y2);

c) f (x, y) = y2sinx

y;

d) f (x, y) = ln(x + ln y);

e) f (x, y) = exycos x sin y;

f)f (x, y) = xy3 (x > 0)

4.2 Tính đạo hàm của các hàm hợp sau:

a) z = eu2−2v2, u = cos x, v =√

x2+ y2; b) z = ln(x2+ v2), u = xy, v = x

y; c) z = x2ln y, x = u

v, v = 3u − 2v;

d) z = uev+ ve−u, u = ex, v = yx2;

e) z = xe

x

y , x = cos t, y = e2t;

f) z = x√

1 + y2, x = te2t, y = e−t

4.3 Tính vi phân toàn phần của các hàm số:

a) z = sin(x2+ y2);

b) z = ex(cos y + x sin y);

c) z = ln tgy

x;

d) z = arctgx + y

x − y;

e) z = ex + e−yx;

f) z =

y

R

x et2dt;

g) z =

x y

R

xy

t2cos 2tdt;

h) u = y2√

x3− 3y√3

z2; i) u = xey + yez+ zex; j) u = xy 2 z, (x > 0)

4.4 Dùng vi phân, tính gần đúng các số sau:

a) È 3

(1, 02)2 + (0, 05)2;

b) ln(√3

1, 03 +√4

0, 98 − 1);

c)È

9.(1, 95)2+ (8, 1)2; d)È

sin21, 55 + 8.e0,015

4.5 Tính đạo hàm của các hàm số ẩn xác định bởi các phương trình sau:

a) x3y − y3x = a4, tính y0;

b) xey + yex− exy tính y0;

c) y5+ 3x2y2+ 5x4 = 0 tính y0;

d) 3 sin

x

y − 2 cos

√ x

y + 1 = 0 tính y0;

e) x + y + z = ez, tính z0x, zy0; f) x3+ y3+ z3 = 3xyz, tính zx0, zy0; g) xy2z3+ x3y2z = x + y + z, tính z0x, zy0;

Trang 8

h) xey + yz + zex = 0, tính zx0, zy0; i)xyz = cos(x + y + z), tính zx0, zy0;

j) y2zex+y − sin(xyz) = 0 tính z0

x, zy0

4.6 Tìm cực trị của các hàm số

a) z = 4(x − y) − x2− y2;

b) z = x2+ xy + y2 + x − y + 1;

c) z = x + y − xry;

d) z = 2x4 + y4− x2− 2y2;

e) z = xy ln(x2+ y2);

f) z = (x − y)2+ (x + y)3; g) z = x2y3(3x + 2y + 1);

h) z = x4+ y4− 2(x − y)2

4.7 Chứng minh rằng:

a) Hàm số u(x, y) = ln√ 1

x2+ y2 thỏa mãn: ∆u = ∂

2u

∂x2 + ∂

2u

∂y2 = 0 b) Hàm số u(x, y, z) = ln√ 1

x2+ y2+ z2 thỏa mãn phương trình ∆u = ∂

2u

∂x2 + ∂

2u

∂y2 +∂

2u

∂z2 = 0

... y0)

Cho hàm n biến u = f (x1, x2, , xn) đạo hàm riêng theo biến xi đạo hàm hàm theo xi (như hàm biến) coi tất biến khác số Kí hiệu... y0) hàm f (x, y) khả vi (x0, y0)

4.3.3 Đạo hàm hàm hợp đạo hàm hàm ẩn

a Đạo hàm hàm hợp

Cho hàm z = f (x, y) có đạo hàm riêng liên tục miền mở...

x(x0, y0) Nhận xét : Đạo hàm riêng theo biến x đạo hàm hàm z = f (x, y) theo biến x coi y số

Tương tự ta có đạo hàm riêng theo biến y Kí hiệu z = f (x, y) fy0(x0,

Ngày đăng: 02/08/2014, 13:20

TỪ KHÓA LIÊN QUAN

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w