Необходимое и достаточное условия дифференцируемости
Напомним, что функция одной переменной называется дифференцируемой в точке , если приращение функции представимо в виде
,
где ― некоторое действительное число, зависящее от , а - бесконечно малая функция более высокого порядка малости, чем , при .
Необходимым и достаточным условием дифференцируемости функции в точке является существование производной
.
Выясним, как переносятся условия дифференцируемости на случай функции двух переменных.
Определение.Функция называется дифференцируемой в точке , если ее полное приращение в этой точке можно представить в виде
, (1)
где и — некоторые постоянные, зависящие от и ; и — функции от и , стремящиеся к нулю при и , то есть , .
Равенство (1) выражает условие дифференцируемости функции в точке .
Определение.Функцию , дифференцируемую в каждой точке некоторого множества, называют дифференцируемой на этом множестве.
Например, функция дифференцируема на всей плоскости . Действительно, полное приращение данной функции в любой точке R2 имеет вид
Положив , , , , получим представление в виде (1), так как и в фиксированной точке будут постоянными, а
, .
Условие дифференцируемости функции в точке можно записать в виде:
, (2)
где — расстояние между точками и :
.
При этом .
Очевидно, что если и , то и , и наоборот, если , то и , а следовательно, и стремятся к нулю. Тогда в равенстве (1) сумму можно переписать в виде
,
так как , и .
Справедливо и обратное утверждение: из представимости в форме (2) следует равенство (1), т. е. условия дифференцируемости (1) и (2) функции в точке эквивалентны.
В равенствах (1) и (2) слагаемое , линейное относительно и , называют главной частью приращения функции, так как оставшееся слагаемое является бесконечно малой функцией более высокого порядка малости, чем , при и .
Установим теперь связь между дифференцируемостью и непрерывностью функции двух переменных.
Теорема.Если функция дифференцируема в точке ,то она и непрерывна в этой точке.
Доказательство. Действительно, по определению функции, дифференцируемой в точке , ее приращение представимо в виде
,
где , , и — некоторые числа, не зависящие от и .
Следовательно,
,
а это означает, что функция непрерывна в точке .
Теорема доказана.
Теорема (необходимое условие дифференцируемости функции).Если функция дифференцируема в точке , то она имеет в этой точке частные производные и , причем , .
Доказательство. Пусть функция дифференцируема в точке ,тогда ее приращение представимо в виде (1). Положив в формуле (1) ,имеем . Разделив это равенство на и перейдя к пределу при , получим
.
Следовательно, в точке существует частная производная .
Аналогично доказывается существование частной производной в точке
Теорема доказана.
Утверждения, обратные утверждениям данных теорем , неверны, т. е. из непрерывности функции, а также существования ее частных производных, еще не следует дифференцируемость функции.
Например, функция непрерывна в точке О(0; 0), но не имеет в этой точке частных производных. Действительно,
.
Функция не имеет предела при . Следовательно, (0; 0) не существует.
Аналогично доказывается, что не существует (0; 0).
Для того, чтобы функция была дифференцируема в точке , на нее налагают условия более жесткие, чем существование частных производных.
Теорема (достаточное условие дифференцируемости функции).Если функция имеет частные производные в некоторой окрестности точки , непрерывные в самой этой точке, то она дифференцируема в точке , причем формулу (1) можно представить в виде:
.
Определение.Функции с непрерывными частными производными называются непрерывно дифференцируемыми.
Например, функция дифференцируема в любой точке R2 так как ее частные производные и всюду непрерывны.
Напомним, что для функции одной переменной существование производной в точке является необходимым и достаточным условием ее дифференцируемости в этой точке.
Понятие дифференцируемости для функции трех и более переменных вводится аналогично. Дадим, например, определение дифференцируемости функции трех переменных. Функция ,определенная в ,называется дифференцируемой в точке ,если ее полное приращение представимо в виде
,
где , и — некоторые постоянные, зависящие от , и ; , и —бесконечно малые функции при , и .
Определение. Функция любого числа переменных, дифференцируемая в каждой точке некоторого множества, называется дифференцируемой на этом множестве.
Дата добавления: 2021-01-11; просмотров: 358;