14.1: Функції декількох змінних
- Розпізнати функцію двох змінних і визначити її область і діапазон.
- Намалюйте графік функції двох змінних.
- Намалюйте кілька слідів або кривих рівня функції двох змінних.
- Розпізнати функцію трьох або більше змінних і визначити її рівні поверхні.
Наш перший крок - пояснити, що таке функція більш ніж однієї змінної, починаючи з функцій двох незалежних змінних. Цей крок включає визначення області та діапазону таких функцій та навчання їх графіку. Також розглянуто способи співвіднесення графіків функцій у трьох вимірах до графіків більш звичних плоских функцій.
Функції двох змінних
Визначення функції двох змінних дуже схоже на визначення функції однієї змінної. Основна відмінність полягає в тому, що замість відображення значень однієї змінної зі значеннями іншої змінної ми зіставляємо впорядковані пари змінних в іншу змінну.
Функція двох зміннихz=f(x,y) відображає кожну впорядковану пару(x,y) в підмножиніD дійсної площиниR2 з унікальним дійсним числом z. DМножина називається доменом функції. Діапазонf - це набір всіх дійсних чисел z, який має принаймні одну впорядковану пару,(x,y)∈D таку,f(x,y)=z як показано на малюнку14.1.1.

Визначення області функції двох змінних передбачає врахування будь-яких обмежень домену, які можуть існувати. Давайте подивимося.
Знайдіть домен і діапазон кожної з наступних функцій:
- f(x,y)=3x+5y+2
- g(x,y)=√9−x2−y2
Рішення
a Це приклад лінійної функції у двох змінних. Немає значень або комбінаційx іy які викликаютьf(x,y) бути невизначені, тому областьf єR2. Щоб визначити діапазон, спочатку виберіть значення для z. Нам потрібно знайти рішення рівнянняf(x,y)=z, або3x−5y+2=z. Одне таке рішення можна отримати за допомогою першої установкиy=0, яка дає рівняння3x+2=z. Рішення цього рівняння полягає в томуx=z−23, що дає(z−23,0) впорядковану пару як розв'язку рівнянняf(x,y)=z для будь-якого значенняz. Тому діапазон функції - це всі дійсні числа, абоR.
bg(x,y) Щоб функція мала дійсне значення, величина під квадратним коренем повинна бути невід'ємною:
9−x2−y2≥0.
Це нерівність можна записати у вигляді
x2+y2≤9.
Тому доменg(x,y) є{(x,y)∈R2∣x2+y2≤9}. Графік цієї множини точок можна описати як диск радіусом 3 з центром у початку координат. Домен включає граничне коло, як показано на наступному графіку.

Для визначення діапазонуg(x,y)=√9−x2−y2 ми починаємо з точки(x0,y0) на межі області, яка визначається співвідношеннямx2+y2=9. Звідси випливає, щоx20+y20=9 і
g(x0,y0)=√9−x20−y20=√9−(x20+y20)=√9−9=0.
Якщоx20+y20=0 (іншими словамиx0=y0=0), то
g(x0,y0)=√9−x20−y20=√9−(x20+y20)=√9−0=3.
Це максимальне значення функції. З огляду на будь-яке значенняc між0 і3, ми можемо знайти цілий набір точок всередині областіg таких, щоg(x,y)=c:
√9−x2−y2=c9−x2−y2=c2x2+y2=9−c2.
Так як9−c2>0, це описує коло радіуса з√9−c2 центром у початковій точці. Будь-яка точка на цьому колі задовольняє рівняннюg(x,y)=c. Тому діапазон цієї функції може бути записаний в інтервальних позначеннях як[0,3].
Знайдіть домен і діапазон функціїf(x,y)=√36−9x2−9y2.
- Підказка
-
Визначте набір впорядкованих пар, які не роблять радикальні негативні.
- Рішення
-
Домен - це{(x,y)|x2+y2≤4} затінене коло, визначене нерівністюx2+y2≤4, яка має коло радіуса2 як свою межу. Асортимент[0,6].
Графічні функції двох змінних
Припустимо, ми хочемо, щоб графік функціїz=f(x,y). Ця функція має дві незалежні змінні (xіy) і одну залежну змінну(z). При побудовіy=f(x) графіків функції однієї змінної ми використовуємо декартову площину. Ми можемо графікувати будь-яку впорядковану пару(x,y) в площині, і кожна точка на площині має впорядковану пару,(x,y) пов'язану з нею. При функції двох змінних кожна впорядкована пара(x,y) в області функції зіставляється з дійсним числомz. Тому графік функціїf складається з впорядкованих трійок(x,y,z). Графік функціїz=f(x,y) двох змінних називається поверхнею.
Щоб більш повно зрозуміти концепцію побудови набору впорядкованих трійок для отримання поверхні в тривимірному просторі, уявіть собі систему(x,y) координат, що лежить рівно. Тоді кожна точка в області функції f має пов'язане з нею унікальнеz -значення. Якщоz позитивний, то графічна точка розташована надxy -площиною, якщоz негативна, то графічна точка розташована нижчеxy -площини. Множина всіх графічних точок стає двовимірною поверхнею, яка є графіком функціїf.
Створіть графік кожної з наступних функцій:
- g(x,y)=√9−x2−y2
- f(x,y)=x2+y2
Рішення
a У прикладі14.1.2 ми визначили, що доменg(x,y)=√9−x2−y2 is{(x,y)∈R2∣x2+y2≤9} і діапазон є{z∈R2∣0≤z≤3}. Коли уx2+y2=9 нас єg(x,y)=0. Тому будь-яка точка на колі радіуса,3 центрована на початку координат уxy -площині, відображає значенняz=0 inR3. Якщоx2+y2=8, тоg(x,y)=1, так будь-яка точка на колі радіуса з2√2 центром у початковій точці вxy -plane відображаєz=1 inR3. Якx2+y2 наближається до нуля, значенняz наближається3. Колиx2+y2=0, тоg(x,y)=3. Це походження вxy -площині Якщоx2+y2 дорівнює будь-якому іншому значенню між0 і9, тоg(x,y) дорівнює деякій іншій константі між0 і3. Поверхня, описана цією функцією, являє собою півкулю з центром у початку з радіусом3, як показано на наступному графіку.

b Ця функція також містить виразx2+y2. Встановивши цей вираз рівним різним значенням, починаючи з нуля, отримаємо кола зростаючого радіуса. Мінімальне значенняf(x,y)=x2+y2 дорівнює нулю (досягається приx=y=0.. Колиx=0, функція стаєz=y2, а колиy=0, то функція стаєz=x2. Це і є поперечні перерізи графіка, і є параболами. Нагадаємо з Введення в вектори в просторі, що назва графаf(x,y)=x2+y2 є параболоїдом. Графікf відображається на наступному графіку.

Функція прибутку для виробника обладнання дається
f(x,y)=16−(x−3)2−(y−2)2,
деx - кількість проданих гайок за місяць (вимірюється тисячами) іy являє собою кількість проданих болтів за місяць (вимірюється тисячами). Прибуток вимірюється тисячами доларів. Намалюйте графік цієї функції.
Рішення
Ця функція є поліноміальною функцією в двох змінних. Домен off складається з(x,y) координатних пар, які дають невід'ємний прибуток:
16−(x−3)2−(y−2)2≥0(x−3)2+(y−2)2≤16.
Це диск з радіусом по4 центру(3,2). Подальше обмеження полягає в тому, що обидваx іy повинні бути ненегативними. Колиx=3 іy=2,f(x,y)=16. Зверніть увагу, що можна для будь-якого значення бути нецілим; наприклад, можна продати2.5 тисячу горіхів за місяць. Таким чином, домен містить тисячі точок, тому ми можемо розглянути всі точки всередині диска. Для будь-якогоz<16, ми можемо вирішити рівнянняf(x,y)=16:
16−(x−3)2−(y−2)2=z(x−3)2+(y−2)2=16−z.
Оскількиz<16, ми знаємо, що16−z>0, таким чином попереднє рівняння описує коло з радіусом,√16−z центрованим у точці(3,2). Отже, діапазонf(x,y) є{z∈R|z≤16}. Графік також параболоїд, і цей параболоїд вказує вниз, як показано.f(x,y)

Криві рівня
Якщо туристи ходять по міцних стежках, вони можуть використовувати топографічну карту, яка показує, як круто змінюються стежки. Топографічна карта містить вигнуті лінії, які називаються контурними лініями. Кожна лінія контуру відповідає точкам на карті, які мають однакову висоту (рис.14.1.6). Крива рівня функції двох зміннихf(x,y) повністю аналогічна контурній лінії на топографічній карті.

Враховуючи функціюf(x,y) та числоc в діапазоніf, крива рівня функції двох змінних для значення визначенаc множиною точок, що задовольняють рівняннюf(x,y)=c.
Повертаючись до функціїg(x,y)=√9−x2−y2, ми можемо визначити криві рівня цієї функції. Діапазон -g замкнутий інтервал[0,3]. По-перше, ми вибираємо будь-яке число в цьому замкнутому інтервалі - скажімо,c=2. Крива рівня, відповіднаc=2, описується рівнянням
√9−x2−y2=2.
Щоб спростити, квадрат обидві сторони цього рівняння:
9−x2−y2=4.
Тепер помножте обидві сторони рівняння на−1 і додайте9 до кожної сторони:
x2+y2=5.
Це рівняння описує коло з центром у початку координат з радіусом√5. Використання значеньc між0 і3 дає інші кола, також зосереджені на початку. Якщоc=3, то коло має радіус0, тому він складається виключно з початку. Малюнок14.1.7 являє собою графік кривих рівня цієї функції, відповіднихc=0,1,2, і3. Зверніть увагу, що в попередньому виведенні можливо, що ми ввели додаткові рішення шляхом квадратизації обох сторін. Тут це не так, оскільки діапазон функції квадратного кореня є невід'ємним.

Графік різних кривих рівня функції називається контурною картою.
За заданою функцією знайдіть криву рівняf(x,y)=√8+8x−4y−4x2−y2, відповіднуc=0. Потім створіть контурну карту для цієї функції. Що таке домен і діапазонf?
Рішення
Для пошуку кривої рівняc=0, задаємоf(x,y)=0 і вирішуємо. Це дає
0=√8+8x−4y−4x2−y2.
Потім ми квадратимо обидві сторони і множимо обидві сторони рівняння на−1:
4x2+y2−8x+4y−8=0.
Тепер ми переставляємо терміни, склавшиx терміни разом іy терміни разом, і додаємо8 до кожної сторони:
4x2−8x+y2+4y=8.
Далі згрупуємо пари термінів, що містять однакову змінну в дужках, і множник4 з першої пари:
4(x2−2x)+(y2+4y)=8.
Потім заповнюємо квадрат в кожній парі дужок і додаємо правильне значення в праву сторону:
4(x2−2x+1)+(y2+4y+4)=8+4(1)+4.
Далі фактуємо ліву сторону і спрощуємо праву сторону:
4(x−1)2+(y+2)2=16.
Останнім ділимо обидві сторони на16:
(x−1)24+(y+2)216=1.
Це рівняння описує еліпс з центром. Графік цього еліпса з'являється на наступному графіку.(1,−2).

Ми можемо повторити ту саму деривацію для значеньc менше, ніж4. Тоді, Equation\ ref {conteq0} стає
4(x−1)216−c2+(y+2)216−c2=1
для довільного значенняc. 14.1.9На малюнку показана контурна карта дляf(x,y) використання значеньc=0,1,2, і3. Колиc=4, крива рівня є точкою(−1,2).

Пошук домену та діапазону
Так як це функція квадратного кореня, то радиканд не повинен бути негативним. Отже, у нас є
8+8x−4y−4x2−y2≥0
Визнаючи, що межа області є еліпсом, повторюємо кроки, які ми показали вище, щоб отримати
(x−1)24+(y+2)216≤1
Таким чином, доменf може бути записаний:{(x,y)|(x−1)24+(y+2)216≤1}.
Щоб знайти діапазон,f, нам потрібно розглянути можливі виходи цієї функції квадратного кореня. Ми знаємо, що вихід не може бути від'ємним, тому нам потрібно перевірити, чи є його вихід коли-небудь0. З роботи, яку ми завершили вище, щоб знайти криву рівня дляc=0, ми знаємо, що значенняf є0 для будь-якої точки на кривій цього рівня (на еліпсі,(x−1)24+(y+2)216=1). Таким чином, ми знаємо, нижня межа діапазону цієї функції є0.
Визначити верхню межу діапазону функції в цій задачі простіше, якщо попередньо завершити квадрат під радикалом.
\ [\ почати {вирівнювати*} f (x, y) &=\ sqrt {8x−4y−4y−4y−4y^2}\\ [5pt]
&=\ sqrt {8 - 4 (x^2 - 2x\ квадрад) - (y^2 + 4y\ quad)}\\ [5pt]
&=\ sqrt {8 - 4 (x^2 - 2 - 2y\ quad) x +1 - 1) - (y^2 + 4г + 4 - 4)}\\ [5пт]
&=\ sqrt {8 - 4 (x^2 - 2x +1) + 4 - (y^2+ 4y + 4) +4}\\ [5pt]
&=\ sqrt {16 - 4 (x-1) ^2 - (y+2) ^2}\ кінець {вирівнювати*}\]
Тепер, коли ми маємоf в такому вигляді, ми можемо побачити, наскільки великим може бути радиканд. Оскільки ми віднімаємо два ідеальних квадрата,16, ми знаємо, що значення радиканд не може бути більшим, ніж16. У точці(1,−2), ми можемо побачити радиканд буде 16 (оскільки ми будемо віднімати0 з16 цієї точки. Це дає нам максимальне значенняf, тобтоf(1,−2)=√16=4.
Отже, діапазон цієї функції[0,4].
Знайдіть та графікуйте криву рівня функції,g(x,y)=x2+y2−6x+2y що відповідаєc=15.
- Підказка
-
Спочатку встановлюємо,g(x,y)=15 а потім завершуємо квадрат.
- Рішення
-
Рівняння кривої рівня можна записати так(x−3)2+(y+1)2=25,, як це коло з радіусом,5 центрованим на(3,−1).
Ще один корисний інструмент для розуміння графіка функції двох змінних називається вертикальним трасом. Криві рівня завжди графічніxy−plane, але, як випливає з їх назви, вертикальні сліди графуються вxz - абоyz -площинами.
Розглянемо функціюz=f(x,y) з доменомD⊆R2. Вертикальний слід функції може бути як множиною точок, що вирішує рівнянняf(a,y)=z для заданої константи,x=a так іf(x,b)=z для заданої константи.y=b.
Знайти вертикальні сліди для функції,f(x,y)=sinxcosy що відповідаютьx=−\dfrac{π}{4},0, і\dfrac{π}{4}, іy=−\dfrac{π}{4},0, і\dfrac{π}{4}.
Рішення
Перший набірx=−\dfrac{π}{4} у рівнянніz=\sin x \cos y:
z=\sin(−\dfrac{π}{4})\cos y=−\dfrac{\sqrt{2}\cos y}{2}≈−0.7071\cos y.
Це описує косинусний графік на площиніx=−\dfrac{π}{4}. Інші значення z відображаються в наступній таблиці.
c | Вертикальне трасування дляx=c |
---|---|
\ (c\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">−\dfrac{π}{4} | \ (x = c\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">z=−\dfrac{\sqrt{2}\cos y}{2} |
\ (c\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; "> 0 | \ (x = c\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">z=0 |
\ (c\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\dfrac{π}{4} | \ (x = c\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">z=\dfrac{\sqrt{2}\cos y}{2} |
Аналогічним чином ми можемо замінитиy-values в рівнянні,f(x,y) щоб отримати сліди в тому,yz-plane, як зазначено в наступній таблиці.
d | Вертикальне трасування дляy=d |
---|---|
\ (d\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\dfrac{π}{4} | \ (y=d\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">z=\dfrac{\sqrt{2}\sin x}{2} |
\ (d\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; "> 0 | \ (y=d\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">z=\sin x |
\ (d\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">−\dfrac{π}{4} | \ (y=d\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">z=\dfrac{\sqrt{2}\sin x}{2} |
Три сліди вxz-plane є косинусними функціями; три сліди вyz-plane є синусоїдними функціями. Ці криві з'являються в місцях перетину поверхні з площинамиx=−\dfrac{π}{4},x=0,x=\dfrac{π}{4} іy=−\dfrac{π}{4},y=0,y=\dfrac{π}{4} як показано на наступному малюнку.

Визначте рівняння вертикального сліду функції,g(x,y)=−x^2−y^2+2x+4y−1 відповідноїy=3, і опишіть її графік.
- Підказка
-
y=3Встановіть рівнянняz=−x^2−y^2+2x+4y−1 і завершіть квадрат.
- Рішення
-
z=3−(x−1)^2. Ця функція описує параболу, що відкривається вниз в площиніy=3.
Функції двох змінних можуть створювати деякі вражаючі поверхні. На малюнку\PageIndex{11} показані два приклади.

Функції більше двох змінних
Поки ми розглянули тільки функції двох змінних. Однак корисно коротко поглянути на функції більш ніж двох змінних. Два таких приклади
\underbrace{f(x,y,z)=x^2−2xy+y^2+3yz−z^2+4x−2y+3x−6}_{\text{a polynomial in three variables}} \nonumber
і
g(x,y,t)=(x^2−4xy+y^2)\sin t−(3x+5y)\cos t. \nonumber
У першій функції,(x,y,z) являє собою точку в просторі, і функціяf відображає кожну точку в просторі до четвертої величини, наприклад, температури або швидкості вітру. У другій функції,(x,y) може представляти точку в площині, аt може представляти час. Функція може зіставити точку на площині до третьої величини (наприклад, тиску) в даний момент часуt. Метод знаходження області функції більше двох змінних аналогічний методу для функцій однієї або двох змінних.
Знайдіть домен кожної з наступних функцій:
- f(x,y,z)=\dfrac{3x−4y+2z}{\sqrt{9−x^2−y^2−z^2}}
- g(x,y,t)=\dfrac{\sqrt{2t−4}}{x^2−y^2}
Рішення:
аf(x,y,z)=\dfrac{3x−4y+2z}{\sqrt{9−x^2−y^2−z^2}} Щоб функція була визначена (і була дійсним значенням), повинні дотримуватися дві умови:
- Знаменник не може бути нулем.
- Радиканд не може бути негативним.
Поєднання цих умов призводить до нерівності
9−x^2−y^2−z^2>0.\nonumber
Переміщення змінних на іншу сторону та зворотне нерівність дає домен як
domain(f)=\{(x,y,z)∈R^3∣x^2+y^2+z^2<9\},\nonumber
який описує кулю радіусу з3 центром у початковій точці. (Примітка: Поверхня кулі не включена в цей домен.)
бg(x,y,t)=\dfrac{\sqrt{2t−4}}{x^2−y^2} Щоб функція була визначена (і була дійсним значенням), повинні дотримуватися дві умови:
- Радиканд не може бути негативним.
- Знаменник не може бути нулем.
Оскільки радиканд не може бути негативним, це означає2t−4≥0, а значить, щоt≥2. Так як знаменник не може бути нулемx^2−y^2≠0, абоx^2≠y^2, який можна переписати якy=±x, які є рівняннями двох рядків, що проходять через початок. Таким чином, доменg є
domain(g)=\{(x,y,t)|y≠±x,t≥2\}. \nonumber
Знайдіть домен функціїh(x,y,t)=(3t−6)\sqrt{y−4x^2+4}.
- Підказка
-
Перевірте значення, які роблять радиканди негативними або знаменниками рівними нулю.
- Рішення
-
domain(h)=\{(x,y,t)\in \mathbb{R}^3∣y≥4x^2−4\} \nonumber
Функції двох змінних мають криві рівня, які відображаються як криві вxy-plane. Однак, коли функція має три змінні, криві стають поверхнями, тому ми можемо визначити поверхні рівня для функцій трьох змінних.
Враховуючи функціюf(x,y,z) та числоc в діапазоніf, рівневу поверхню функції трьох змінних визначено множиною точок, що задовольняють рівняннюf(x,y,z)=c.
Знайдіть рівну поверхню для функції,f(x,y,z)=4x^2+9y^2−z^2 відповідноїc=1.
Рішення
Рівна поверхня визначається рівнянням4x^2+9y^2−z^2=1. Це рівняння описує гіперболоїд одного листа, як показано на малюнку\PageIndex{12}.

Знайти рівняння рівняння поверхні функції
g(x,y,z)=x^2+y^2+z^2−2x+4y−6z \nonumber
відповідністьc=2, і описати поверхню, якщо це можливо.
- Підказка
-
Встановитиg(x,y,z)=c і завершити квадрат.
- Рішення
-
((x−1) ^2+ (y+2) ^2+ (z−3) ^2=16\) описує сферу радіуса з4 центром у точці(1,−2,3).
Резюме
- Графік функції двох змінних є поверхнею в\mathbb{R}^3 і може бути вивчений за допомогою кривих рівня та вертикальних слідів.
- Набір кривих рівня називається картою контурів.
Ключові рівняння
- Вертикальний трасування
f(a,y)=zдляx=a абоf(x,b)=z дляy=b
- Поверхня рівня функції трьох змінних
f(x,y,z)=c
Глосарій
- контурна карта
- графік кривих різних рівнів заданої функціїf(x,y)
- функція двох змінних
- функціяz=f(x,y), яка відображає кожну впорядковану пару(x,y) вD підмножині зR^2 унікальним дійсним числомz
- граф функції двох змінних
- множина впорядкованих трійок(x,y,z), що задовольняє рівнянню,z=f(x,y) побудованому в тривимірному декартовому просторі
- крива рівня функції двох змінних
- множина точок, що задовольняють рівняннюf(x,y)=c для деякого дійсного числаc в діапазоніf
- поверхня рівня функції трьох змінних
- множина точок, що задовольняють рівняннюf(x,y,z)=c для деякого дійсного числаc в діапазоніf
- поверхні
- графік функції двох змінних,z=f(x,y)
- вертикальний слід
- множина впорядкованих трійок(c,y,z), що вирішує рівнянняf(c,y)=z для заданої константиx=c або множина впорядкованих трійок(x,d,z), що вирішує рівнянняf(x,d)=z для заданої константиy=d