Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных. Скляренко В.А - 15 стр.

UptoLike

Решение. Находим первые и вторые частные производные функции
f(x, y,z)
f
∂x
=
yz
x
2
+zy
(xyzzy+x
2
)(x
2
yz)
,
f
y
=
zx
3
(xyzzy+x
2
)(x
2
yz)
,
f
∂z
=
yx
3
(xyzzy+x
2
)(x
2
yz)
;
2
f
∂x
2
=
z
3
y
3
4 z
2
y
2
x
2
+6 z
2
y
2
x4 x
3
yzx
4
yz2 x
5
zy
(zyx zy+x
2
)
2
(x
2
yz)
2
,
2
f
y
2
=
2 zyx2 zy+2 x
2
x
3
z
2
x
3
(zyx zy+x
2
)
2
(zyx
2
)
2
,
2
f
∂z
2
=
2 zyx2 zy+2 x
2
x
3
y
2
x
3
(zyx zy+x
2
)
2
(zyx
2
)
2
,
2
f
∂xy
=
2 z
2
y
2
x3 z
2
y
2
+2 zyx
2
+x
4
zx
2
(zyx zy+x
2
)
2
(zyx
2
)
2
,
2
f
∂x∂z
=
2 z
2
y
2
x3 z
2
y
2
+2 zyx
2
+x
4
yx
2
(zyx zy+x
2
)
2
(zyx
2
)
2
,
2
f
y∂z
=
x
4
+z
2
y
2
xz
2
y
2
x
3
(zyx zy+x
2
)
2
(zyx
2
)
2
.
Зная вторые частные производные, составляем второй дифференциал.
Ответ. d
2
f=
x
4
yz+2x
5
+4x
3
yz+4y
2
z
2
x
2
6y
2
z
2
x y
3
z
3
yz dx
2
(xyz+x
2
yz)
2
(x
2
yz)
2
+
2xyz+2x
2
2yzx
3
x
3
z
2
dy
2
(xyz+x
2
yz)
2
(x
2
yz)
2
2 xyz2 x
2
+2 yz+x
3
x
3
y
2
dz
2
(xyz+x
2
yz)
2
(x
2
yz)
2
2
x
2
x
4
+2 x
2
yz+2 y
2
z
2
x3 y
2
z
2
z dx dy
(xyz+x
2
yz)
2
(x
2
yz)
2
2
x
4
+2 x
2
yz+2 y
2
z
2
x3 y
2
z
2
x
2
ydx dz
(xyz+x
2
yz)
2
(x
2
yz)
2
+ 2
x
4
+ y
2
z
2
x y
2
z
2
x
3
dy dz
(xyz+x
2
yz)
2
(x
2
yz)
2
.
Если функция f(x)= f(x
1
, . . . , x
n
)определена в окрестности точки x
0
=
= (x
0
1
, . . . , x
0
n
)> R
n
и в э той окрес тности r + 1 раз дифференцируема, то для
нее справедлива формула Тейлора с остаточным членом в форме Лагран-
жа: для каждого x из этой окрестности
f(x)= f(x
0
)+d f(x
0
)+
1
2!
d
2
f(x
0
)+. . .+
1
r!
d
r
f(x
0
)+
1
(r + 1)!
d
r+1
f(x
0
+θ(xx
0
)),
где θ некоторое число из интервала (0, 1).
Используется также формула Тейлора с остаточным членом в форме
Пеано: если функция f(x)= f(x
1
, . . . , x
n
)определена в окрес тности точки
x
0
= (x
0
1
, . . . , x
0
n
)> R
n
и в этой окрестно сти r раз дифференцируема, то в
этой окрес тности
f(x)= f(x
0
)+ d f(x
0
)+
1
2!
d
2
f(x
0
)+ . . . +
1
r!
d
r
f(x
0
)+ α(x)Sx x
0
S
r
,
где lim
xx
0
α(x)= 0.
Пример 6. Использ уя известные разложения основных элементар-
ных функций по формуле Тейлора с остаточным членом в форме Пеано,
разложить функцию f(x, y)=
x y
»
ch(x + y)
по формуле Тейлора в окрестно-
сти точки x
0
= 1, y
0
= 1 до o(ρ
3
), где ρ =
»
(x x
0
)
2
+ (y y
0
)
2
.
15
   Решение.                    Находим первые и вторые частные производные функции
f(x, y, z)
      ∂f                yz‰x 2 +zyŽ                  ∂f              zx 3                                  ∂f               yx 3
      ∂x   = − (xyz−zy+x2)(x2−yz) ,                  ∂y   =   (xyz−zy+x 2 )(x 2 −yz) ,                     ∂z   =    (xyz−zy+x 2 )(x 2 −yz) ;

        ∂2 f        ‰z3 y3 −4 z2 y2 x 2 +6 z2 y2 x−4 x 3 yz−x 4 yz−2 x 5 Žzy                   ∂2 f        ‰2 zyx−2 zy+2 x 2 −x 3 Žz2 x 3
        ∂x 2   =−                     (zyx−zy+x 2 ) (x 2 −yz)2
                                                   2                                   ,       ∂y2     =       (zyx−zy+x 2 ) (zy−x 2 )
                                                                                                                              2               2   ,
                ∂2 f       ‰2 zyx−2 zy+2 x 2 −x 3 Žy2 x 3              ∂2 f                ‰2 z2 y2 x−3 z2 y2 +2 zyx 2 +x 4 Žzx 2
                ∂z2    =       (zyx−zy+x 2 ) (zy−x 2 )
                                                 2        2   ,       ∂x∂y     =−              (zyx−zy+x 2 ) (zy−x 2 )
                                                                                                                     2        2           ,
                 ∂2 f            ‰2 z2 y2 x−3 z2 y2 +2 zyx 2 +x 4 Žyx 2            ∂2 f                ‰x 4 +z2 y2 x−z2 y2 Žx 3
                ∂x∂z    =−             (zyx−zy+x 2 ) (zy−x 2 )
                                                    2          2           ,       ∂y∂z        =   (zyx−zy+x 2 ) (zy−x 2 )
                                                                                                                         2        2   .

      Зная вторые частные производные, составляем второй дифференциал.

                                ‰x 4 yz+2x 5 +4x 3 yz+4y2 z2 x 2 −6y2 z2 x−y3 z3 Žyz dx 2                      ‰2xyz+2x 2 −2yz−x 3 Žx 3 z2 dy2
      Ответ. d2 f=                               (xyz+x 2 −yz) (x 2 −yz)
                                                                  2            2
                                                                                        (xyz+x 2 −yz) (x 2 −yz)
                                                                                                           +                      2               2   −
    ‰−2 xyz−2 x 2 +2 yz+x 3 Žx 3 y2 dz2             x ‰x +2 x yz+2 y z x−3 y z Žz dx dy
                                                     2    4   2        2 2  2 2
−       (xyz+x 2 −yz) (x 2 −yz)
                           2            2     −2              (xyz+x 2 −yz) (x 2 −yz)
                                                                                   2               2             −
      ‰x 4 +2 x 2 yz+2 y2 z2 x−3 y2 z2 Žx 2 ydx dz             ‰x 4 +y2 z2 x−y2 z2 Žx 3 dy dz
−2             (xyz+x 2 −yz) (x 2 −yz)
                                  2          2            +2      (xyz+x 2 −yz) (x 2 −yz)
                                                                                       2               2   .

   Если функция f(x) = f(x1 , . . . , xn) определена в окрестности точки x0 =
= (x10 , . . . , xn0 ) > Rn и в этой окрестности r + 1 раз дифференцируема, то для
нее справедлива формула Тейлора с остаточным членом в форме Лагран-
жа: для каждого x из этой окрестности
                       1                1              1
f(x) = f(x0 )+d f(x0 )+ d2 f(x0 )+. . .+ dr f(x0 )+          dr+1 f(x0 +θ(x−x0 )),
                       2!               r!          (r + 1)!
где θ — некоторое число из интервала (0, 1).
    Используется также формула Тейлора с остаточным членом в форме
Пеано: если функция f(x) = f(x1 , . . . , xn) определена в окрестности точки
x0 = (x10 , . . . , xn0 ) > Rn и в этой окрестности r раз дифференцируема, то в
этой окрестности
                                                     1 2                  1
       f(x) = f(x0 ) + d f(x0 ) +                       d f(x0 ) + . . . + dr f(x0 ) + α(x)Sx − x0 Sr ,
                                                     2!                   r!
где lim0 α(x) = 0.
      x x

   Пример 6. Используя известные разложения основных элементар-
ных функций по формуле Тейлора с остаточным членом в форме Пеано,
                                     x−y
разложить функцию f(x, y) = »                по формуле Тейлора в окрестно-
                                   ch(x + y)
                                            »
сти точки x0 = 1, y0 = −1 до o(ρ ), где ρ = (x − x0 )2 + (y − y0 )2 .
                                3


                                                                      15