Барковський В.В., Барковська Н.В. Вища математика для економістів

Подождите немного. Документ загружается.

271

Частина 9. Функції кількох змінних

9.2. Частинні похідні та диференціал першого порядку

9.2.1. Частинні похідні першого порядку та за напрямом

вектора

Якщо

у функції декількох змінних



, ,...,

xx x

змінна



1, 2,...,

xk n

одержить частинний приріст



, а всі інші неза!

лежні змінні зафіксувати, тоді функція одержить частинний приріст



12 1 12 1

, ,..., , ,..., , ,..., , ,...,

kk k n kk n

xx x x x x

xx x x x



  

за аргументом



Означення 7. Якщо існує границя

lim





незалежна від спо&

собу прямування



, тоді її називають частинною похідною

першого порядку функції



, ,...,

xx x

по змінній



1,2, ...,

xk n

і позначають



або



, ,..., ,...,

xxxx



або



Отже, за означенням частинна похідна буде

lim











. (1)

При знаходженні частинної похідної по змінній

усі інші аргу!

менти слід вважати постійними величинами і тому можна викорис!

товувати правила диференціювання та таблицю похідних функцій

однієї

змінної.

У випадку функції двох змінних



fxy



можна надати гео!

метричну та механічну інтерпретацію частинної похідної першого

порядку

, а саме:

272

Барковський В.В., Барковська Н.В. «Вища математика для економістів»

– похідна





чисельно дорівнює тангенсу кута нахилу до!

тичної до кривої лінії, яка утворюється перетином поверхні





площиною





;

–

механічний зміст





– це швидкість зміни функції

напрямку

осі



, коли аргумент



не змінюється.



Приклад 3. Об’єм продажу нового продукту

залежить від

часу

і витрат

підприємства на рекламу. Якщо

вимірювати

тижнями

, а

в гривнях, тоді ця залежність має вигляд



0,002

200 5 1

xee



 

Знайти



і вказати економічний зміст цих похідних при

1, 40 0tA





Розв’язання. Маємо:



0,002 0,002

200 5 1 200 5

tAt

ee ee

 





 



  

0,002 0,002

200 1 5 0,4 1

tA tA

ee ee

 





 



При

1t 

та

400A 

одержимо



0,8 1

400

200 5 335







 





10,8

400

0,4 1 0,11







 



Частина похідної



характеризує швидкість зміни об’єму про!

дажу нового продукту за тиждень, коли витрати на рекламу не

змінюється

273

Частина 9. Функції кількох змінних

Частинна похідна



характеризує швидкість зміни об’єму про!

дажу продукту при зміні суми витрат на рекламу і постійному

При витратах на рекламу 400 гривень швидкість зростання об’єму

продажу

продукту за один тиждень буде 0,11.

Частинну похідну функції



,,ufxyz

за напрямом вектора



llll





знаходять за формулою

cos cos cos

uu u u

xyz



  









, (2)

де

cos







;

cos







;

cos







Напрям найбільшої швидкості зміни функції



,,u

z

співпа!

дає з напрямом вектора (його називають градієнтом функції

)

grad

uuu

ui jk

xyz









, (3)

а величина цієї найбільшої швидкості дорівнює довжині цього векто!

ра, тобто

grad

uuu





 





 



 



. (4)



Приклад 4. Знайти величину найбільшої швидкості зміни

функції

22 3

714

zz

в точці



1, 0, 9M



Розв’язання. Частинні похідні першого порядку в цьому випад!

ку будуть

14 ;







77;

xyz











274

Барковський В.В., Барковська Н.В. «Вища математика для економістів»

9.2.2. Повний приріст та повний диференціал функції

Нехай

функція



fxy

в деякій області

неперервна і має

частинні

похідні



та



. Візьмемо в цій області

довільну точку



000

,Mx

та знайдемо відповідне значення функції



,fxy

, потім

дамо

приріст обом аргументам і підрахуємо значення



 

функції в точці



10 0

xxyy 

. Отже, ми

одержимо

приріст функції



00 00

zfx xy y fxy

   

який називають повним приростом функції



fxy

в точці



000

,Mxy

Перетворимо

z

шляхом віднімання та додавання величини





до вигляду

 

0 0 00 00 00

,, ,,z fx xy y fxy y fx y y fxy



        



Величину найбільшої зміни заданої функції

в будь!якій точці

знайдемо

за формулою (4)



22 2 2

grad 14 7 14

74 2 .

uxyxyzzy

xy x yz z











    





Підставимо замість

координати точки

, тоді

 

grad 7 4 1 0 1 0 4 81 7 325

35 13 35 3,6 126 ( ).

одиниць виміру

     



275

Частина 9. Функції кількох змінних

Різниці у квадратних дужках можна розглядати як приріст

функції

тільки відносно одного аргументу.

Застосуємо до кожної різниці формулу скінченого приросту Лаг!

ранжа, одержимо



00 001

zfx xy y xfxy y y





       

де









Якщо частинні похідні неперервні в точці



000

, тоді по!

вний приріст функції можна записати у вигляді

 

00 00

zfxy xfxy y x y





    

де



та



прямують до нуля, коли

0x





Означення 8. Головна, лінійна відносно



та



частина

повного

приросту функції називається повним диференціалом

функції



,zfxy

і позначається

або



,df x y

Отже, повний диференціал функції двох змінних знаходять за

формулою

 

00 00

dz fxy xfxy y





. (5)

Оскільки



00 00

,,dz z f x x y y x f x y     

, тому

  

0 0 00 00 00

,,,,

fx xy yfxy fxyxfxyy



      

. (6)

Формула (6) дозволяє знаходити наближене значення функції

двох

змінних.



Приклад 5. Зайти наближене значення функції

2zx x

 

в точці



1, 0 3; 1, 97M



Розв’язання. Потрібне значення заданої функції знайдемо за

формулою

(6). Нехай



1, 2M

, тоді

0,03x

;

0,03





12122 13zM  

276

Барковський В.В., Барковська Н.В. «Вища математика для економістів»

9.2.3. Частинні похідні вищих порядків



Означення 9. Частинну похідну першого порядку по змінній

від частинної похідної першого порядку функції по змінній

назива&

ють частинною похідною другого порядку функції по змінним

та

і позначають:





або



при

km





або



при

km

У випадку функції двох змінних



,zfxy

маємо

;









  



















;

















Якщо мішані частинні похідні другого порядку неперервні, тоді





 

тобто мішана частина похідна другого порядку не залежить від поряд!

ку диференціювання функції.

Аналогічно визначають частинні похідні порядку

2k 



22 21226

zxy















23 213214

zxy





   



Підставимо ці значення у формулу (6) і одержимо:

  

13 6 0,03 14 0,03 13 0,18 0,42 12,76zM     

277

Частина 9. Функції кількох змінних



Приклад 6. Довести, що функція

zxe

задовольняє рівняння

xx xy

xz yz

 



. (7)



Розв’язання. Спочатку знайдемо частинні похідні заданої

функції

, що входить до лівої частини рівняння (7):

 

11111

yx yx yx yx yx

yyy

xxx

zxe xe xe e xeyx

eee











  







11 1

22233

11 1

;

yx yx yx

yy y

xx x

yy y

ze e eyx

xx x

yyyyy

ee e

xxxxx

 

 



  





  

  











11 1

yx yx yx

yy y

ze e e

xxxx

 

 



  





  

  



 





Підставимо знайдені



та



в ліву частину рівняння (7), тоді

одержимо

xx yx

xz yz e e

 

  

00

Отже, задана функція

задовольняє рівняння (7).

278

Барковський В.В., Барковська Н.В. «Вища математика для економістів»

9.3. Приклади застосування частинних похідних до

аналізу бізнеса

9.3.1. Маргінальна продуктивність виробництва

бізнесі маргінальною продуктивністю виробництва називають

гранично

можливу продуктивність при умові постійного відтворю!

вання виробництва.

Кількість та якість кінцевого випуску будь якої продукції фірми

залежить

від багатьох факторів, які фірма може змінювати. Найбільш

важливі

фактори – продуктивність праці та вкладений у виробниц!

тво капітал.

Позначимо через

кількість одиниць праці,

– суму капіталу,

вкладеного фірмою у виробничий план. Величина

може вимірю!

ватись річними робочими годинами або річною вартістю праці у грив!

нях.

Позначимо через

кінцевий результат, наприклад, кількість

одиниць

випущеної фірмою продукції. Тоді



xK

тобто

можна розглядати як функцію двох змінних. Ця функція на!

зивається продуктивною функцією.

У деяких випадках

та

залежні. Наприклад, фірма впрова!

дила у виробництво нове обладнання (змінна

зросла на величи!

ну

), яке дозволило скоротити кількість праці у три рази. У цьо!

му прикладі можна встановити функціональну залежність між

та

У загальних випадках

та

розглядають як незалежні змінні.

Частинну похідну першого порядку



називають граничною

продуктивністю

праці при фіксованому

, а



називають гра&

ничною продуктивністю капіталу при фіксованій продуктивності

праці

279

Частина 9. Функції кількох змінних

9.3.2. Попит на конкурентні товари

Попит

на будь!який товар залежить від вартості його одиниці,

якості, пакування та інших факторів, наприклад, вартості іншого

товару

. Так, попит на торт «Київський» залежить не лише від його

вартості

, але й від вартості тортів інших назв, наприклад «Барвінок».

Будемо казати, що товари

та

взаємозв’язані, якщо попит на

товар

залежить не тільки від його вартості, але й від вартості то!

вару

Позначимо

та

вартість одиниці відповідного товару. Не!

хай

та

– кількісний попит на товари

та

, відповідно.

Якщо

та

взаємопов’язані, тоді

та

будуть функціями

двох

змінних, тобто



AAB

PP







Частина похідної



має зміст граничного попиту на товар

відносно його вартості

Частинна похідна



– граничний попит на товар

відносно

вартості

Прибутки виробництва зростають якщо



зростає при фіксо!

ваному

, тобто коли







Підкреслимо, що



характеризує зміну випуску продукції при

постійних

трудових затрат.

280

Барковський В.В., Барковська Н.В. «Вища математика для економістів»

9.4. Оптимізація

9.4.1. Поняття екстремуму, необхідні умови його існування

Функція

багатьох змінних



M



має максимум в

точці

, якщо

 

M

для усіх точок

із достатньо ма!

лого околу точки

Функція



M

E

має мінімум в точці

, якщо

 

fM fM

для усіх точок

із достатньо малого околу точки

Максимуми та мінімуми функції кількох змінних називають ек

стремумами функції

, а точку

, де функція має екстремум, нази!

вають точкою екстремуму функції.



Теорема. (Необхідні умови існування екстремуму). Якщо фун

кція



, ,...,

wfxx x

має екстремум в точці



01020 0

, ,...,

xx x

то кожна частинна похідна першого порядку функції дорівнює нулю

або не існує в цій точці.

Товари

та

називають конкурентними, якщо











Еластичністю вартості товару

відносно

буде









Аналогічно визначається еластичність вартості товару

відносно







