3. Η µερική παράγωγος

Transcript

1 1 Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής 1 Μερική παραγώγιση παράγωγος µιας συνάρτησης µερική παράγωγος ( ( µιας µεταβλητής ορίζεται ως d d ( ( (1 Για συναρτήσεις δύο ή περισσότερων µεταβλητών αντίστοιχα όρια ορίζονται ως προς οποιαδήποτε από τις µεταβλητές µε τη συνθήκη ότι οι υπόλοιπες µεταβλητές διατηρούνται ερές Για παράδειγµα αν η ( είναι µια συνάρτηση των µεταβλητών και το όριο ονοµάζεται µερική παράγωγος της ( ( ( ως προς και συµβολίζεται µε ( έχει δύο πρώτες µερικές παραγώγους τις ή ( ( ( και ( ( ( Παράδειγµα 1 ( Παράδειγµα ( Παράδειγµα έχει ως πρώτες µερικές παραγώγους τις: έχει ως πρώτες µερικές παραγώγους τις: ( έχει ως πρώτες µερικές παραγώγους τις: cos ( cos ( Εκτός από τις παραγώγους πρώτης τάξης παράγωγοι ανώτερων τάξεων επίσης ορίζονται και υπολογίζονται µε περαιτέρω παραγώγιση Έτσι οι παράγωγοι δεύτερης τάξης της ( είναι οι (

2 Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής 1 Παράδειγµα (του Παραδείγµατος 1 έχει τις εξής µερικές παραγώγους δεύτερης τάξης: ( ( ( ( ( Παράδειγµα 5 (του Παραδείγµατος έχει τις εξής µερικές παραγώγους δεύτερης τάξης: ( ( ( 1 ( ( 1 Παράδειγµα 6 (του Παραδείγµατος έχει τις εξής µερικές παραγώγους δεύτερης τάξης: ( ( ( ( ( Παρατηρούµε ότι σε όλα τα παραδείγµατα βρήκαµε: (5 δηλαδή ότι η σειρά µε την οποία γίνεται η παραγώγιση (πρώτα ως προς και µετά ως προς ή πρώτα ως προς και µετά ως προς δεν έχει σηµασία Αυτό δεν είναι τυχαίο αλλά αποδεικνύεται ότι ισχύει πάντοτε αν η συνάρτηση και οι µερικές της παράγωγοι και είναι συνεχείς στο σηµείο όπου υπολογίζεται η µικτή παράγωγος δεύτερης τάξης Παράγωγοι ανώτερης τάξης επίσης ορίζονται:

3 1 Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής Οι µερικές παράγωγοι συναρτήσεων περισσοτέρων των δύο µεταβλητών ορίζονται µε τον ίδιο τρόπο ιαφορικά Αν η ( είναι µια συνάρτηση των µεταβλητών η έκφραση d d d d (6 ονοµάζεται το ολικό διαφορικό ή απλώς το διαφορικό της συνάρτησης ( Οι ποσότητες d d και d είναι τα διαφορικά των αντίστοιχα Οι µεταβλητές είναι δυνατό να είναι συναρτήσεις άλλων µεταβλητών Τα d d και d δεν είναι απαραιτήτως µικρές ποσότητες Για «πολύ µικρές» µεταβολές d d και d στις µεταβλητές αντίστοιχα το διαφορικό d µπορεί να θεωρηθεί ως η προκύπτουσα µεταβολή στην ( Αν ( τότε είναι d Όσο µικρότερα είναι τα d d και d τόσο καλύτερη προσέγγιση είναι το διαφορικό στην αντίστοιχη µεταβολή της ( Αυτό κάνει δυνατή τη χρήση των διαφορικών σε προσεγγιστικούς υπολογισµούς και στην εκτίµηση σφαλµάτων Όταν ένας αριθµός µικρών µεταβολών οι οποίες είναι ανεξάρτητες µεταξύ τους συµβαίνουν ταυτόχρονα σε ένα σύστηµα το συνολικό αποτέλεσµα είναι ίσο µε το άθροισµα των επιµέρους αποτελεσµάτων Από φυσική άποψη αυτό ισοδυναµεί µε την αρχή της επαλληλίας Παράδειγµα 7 Να βρεθεί το διαφορικό της ( / Επειδή είναι: έχουµε d d d d d d d d d d Παραγώγιση σύνθετων συναρτήσεων Αν η ( είναι µια συνάρτηση των µεταβλητών άλλης µεταβλητής έστω της t τότε το διαφορικό και αυτές είναι συναρτήσεις µιας d d d d (7 διαιρούµενο διά δίνει το ρυθµό µεταβολής της ( ως προς την t ως d d d d (8 d ονοµάζεται ολική παράγωγος της ( ως προς t Ο ρυθµός µεταβολής της ( είναι µια επαλληλία τριών όρων ο καθένας από τους οποίους δίνει το ρυθµό µεταβολής της ( που οφείλεται στη µεταβολή ξεχωριστά της κάθε µιας από τις µεταβλητές Αναλυτικότερα είναι ο ρυθµός µεταβολής της ( ως προς το

4 Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής 15 όταν τα και διατηρούνται ερά και d προς t Εποµένως χρόνο λόγω της µεταβολής του d είναι ο στιγµιαίος ρυθµός µεταβολής του ως είναι ο στιγµιαίος ρυθµός µεταβολής της ( ως προς το µόνο Οι άλλοι όροι έχουν αντίστοιχες ερµηνείες Το άθροισµα δίνει τον ολικό ρυθµό µεταβολής της ( ως προς το χρόνο Βεβαίως µε αντικατάσταση των συναρτήσεων (t (t και (t στην ( βρίσκουµε τη συνάρτηση απευθείας d [ ( t ( t ( t ] ( t της οποίας η παράγωγος υπολογίζεται Παράδειγµα 8 Ένα δοχείο έχει σχήµα κυλίνδρου µε ακτίνα βάσης ίση µε r 1 m και ύψος h m Αν η ακτίνα µεταβληθεί κατά 1 % και το ύψος µειωθεί κατά 5 % κατά πόσο % µεταβάλλεται ο όγκος του δοχείου; Εδώ η συνάρτηση είναι ο όγκος του κυλίνδρου V π r h Οι µεταβλητές είναι οι r και h Το διαφορικό της V είναι: V V dr π rhdr π r r h Εποµένως η ποσοστιαία µεταβολή του όγκου του κυλίνδρου για µεταβολές ακτίνα και / h 5 % στο ύψος είναι: V 1 V 1 V dr dr V r V h r h 1% 5 % 15 % dr / r 1% [ Τέτοια αποτελέσµατα εξάγονται πιο εύκολα µε λογαριθµική παραγώγιση: Από τη σχέση V π r h έχουµε ln V lnπ lnr lnh d (lnv d(lnπ d(lnr d(lnh και εποµένως / V dr / r / h ] Παράδειγµα 9 Αν στον κύλινδρο του προηγούµενου Παραδείγµατος η ακτίνα µεταβάλλεται ως προς το χρόνο µε ένα ρυθµό dr / 1 m/s και το ύψος µε ρυθµό / m/s µε ποιο ρυθµό µεταβάλλεται ο όγκος του δοχείου τη στιγµή που είναι r 1 m και h m; ολική παράγωγος του όγκου του κυλίνδρου ως προς το χρόνο είναι: V dr V dr π rh π r r h από την οποία µπορούµε να βρούµε το ρυθµό ποσοστιαίας µεταβολής του όγκου Επειδή είναι 1 V dr 1s r 1 1 ή 5 % ανά δευτερόλεπτο και / 1 V dr 1 V dr 1 V r V h r h h s στην Προτιµούµε να βρούµε το ρυθµό έχουµε s V 1 1

5 16 Κ Χριστοδουλίδης: Μαθηµατικό Συµπλήρωµα για τα Εισαγωγικά Μαθήµατα Φυσικής Προβλήµατα 1 Να βρεθούν οι µερικές παράγωγοι πρώτης τάξης των συναρτήσεων ( : / sin Να βρεθούν όλες οι µερικές παράγωγοι δεύτερης τάξης µερικών από τις συναρτήσεις ( του Προβλήµατος 1 Να βρεθούν τα διαφορικά των συναρτήσεων ( του Προβλήµατος 1 Βιβλιογραφία Ι S Sokolniko και R M Rr Μαθηµατικά για Φυσικούς και Μηχανικούς Πανεπιστηµιακές Εκδόσεις ΕΜΠ Αθήνα 1 Κεφ 5 M R Spigl Ανώτερα Μαθηµατικά ΕΣΠΙ Αθήνα 198 Κεφ 6 8