الرياضيات · المسرد

ما معنى مشتق جزئي؟

يُعرف أيضًا باسم: تدرج

تعريف 25.4 الرياضيات الجامعية — السنة 1 · الفصل 25 — دوال المتغيرين

المشتقات الجزئية للدالة ff عند (a,b)(a, b) هي المشتقات في متغير واحد على امتداد المحاور:

fx(a,b)=limh0f(a+h,b)f(a,b)h,fy(a,b)=limk0f(a,b+k)f(a,b)k.\frac{\partial f}{\partial x}(a,b) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a + h, b) - f(a,b)}{h}, \qquad \frac{\partial f}{\partial y}(a,b) = \lim_{k \to 0} \frac{f(a, b + k) - f(a,b)}{k}.

وتكون ff من الصنف C1C^1 على UU إذا وُجد كلاهما وكانا متصلين على UU. والتدرج هو f(a,b)=(fx,fy)(a,b)\nabla f(a,b) = \bigl(\frac{\partial f}{\partial x},\, \frac{\partial f}{\partial y}\bigr)(a,b).

أمثلة

مثال 25.10 (منحنيات المستوى والتدرجات، على دالة واحدة)

خذ f(x,y)=x2y2f(x, y) = x^2 - y^2. ومجموعات مستواها: {f=c}\{f = c\} قطعٌ زائد مفتوح يمينًا ويسارًا من أجل c>0c > 0، وصعودًا ونزولًا من أجل c<0c < 0، وزوج المستقيمين المتقاطعين y=±xy = \pm x من أجل c=0c = 0 — أي خريطة كنتور لممرّ جبلي، بنقطة السرج عند المبدأ حيث يتقاطع مستقيما المستوى المعدوم. والتدرج: f=(2x,2y)\nabla f = (2x, -2y). وعند النقطة (2,1)(2, 1) (على المستوى c=3c = 3): f=(4,2)\nabla f = (4, -2)، بينما تكون متجهة مماس منحني المستوى، معلَّمًا بجوار تلك النقطة بالمقدار (t,t23)\bigl(t, \sqrt{t^2 - 3}\bigr)، هي (1,tt23)=(1,2)\bigl(1, \frac{t}{\sqrt{t^2 - 3}}\bigr) = (1, 2) عند t=2t = 2 — وفعلًا

(4,2), (1,2)=44=0:\langle (4, -2),\ (1, 2)\rangle = 4 - 4 = 0 :

فالتدرج عمودي على الكنتور، مشيرًا نحو قيم ff الأعلى (وهنا: بعيدًا عن محور yy). وقراءتان أخريان: ينعدم التدرج عند السرج بالضبط، حيث تنقبض خريطة الكنتور؛ ويكون مستقيم المماس لمنحني المستوى عند (2,1)(2,1) هو 4(x2)2(y1)=04(x - 2) - 2(y - 1) = 0، أي 2xy=32x - y = 3 — وهي المعادلة «f, MM0=0\langle \nabla f,\ M - M_0\rangle = 0» التي تعمّم مماس القطع الناقص في التمرين 24.11.

مثال 25.16 (دراسة بأربع نقاط، كاملة)

f(x,y)=xy(3xy)=3xyx2yxy2f(x, y) = xy\,(3 - x - y) = 3xy - x^2y - xy^2. والتدرج:

fx=y(32xy),fy=x(3x2y).\frac{\partial f}{\partial x} = y\,(3 - 2x - y), \qquad \frac{\partial f}{\partial y} = x\,(3 - x - 2y).

والنقاط الحرجة: إذا كان y=0y = 0، أعطت المعادلة الثانية x{0,3}x \in \{0, 3\}؛ وإذا كان x=0x = 0، أعطت الأولى y{0,3}y \in \{0, 3\}؛ وإذا كان xy0xy \neq 0، فحُلَّ 2x+y=32x + y = 3 و x+2y=3x + 2y = 3: ومنه x=y=1x = y = 1. أي أربع نقاط: (0,0)(0,0) و (3,0)(3,0) و (0,3)(0,3) و (1,1)(1,1). والمشتقات الثانية: r=2yr = -2y و s=32x2ys = 3 - 2x - 2y و t=2xt = -2x.

  • (1,1)(1,1): r=2r = -2 و s=1s = -1 و t=2t = -2: ومنه rts2=3>0rt - s^2 = 3 > 0 و r<0r < 0: أي قيمة عظمى موضعية، f(1,1)=1f(1,1) = 1.
  • (0,0)(0,0): r=t=0r = t = 0 و s=3s = 3: ومنه rts2=9<0rt - s^2 = -9 < 0: أي سرج؛ وكذلك (3,0)(3, 0) (s=3s = -3) و (0,3)(0, 3): أي ثلاثة سروج.

والقيمة العظمى موضعية فقط: f(T,T)=T2(3+2T)+f(-T, -T) = T^2(3 + 2T) \to +\infty. وتحقق التناظر: f(x,y)=f(y,x)f(x, y) = f(y, x)، وفعلًا تكون المجموعة الحرجة والتصنيف متناظرين في xyx \leftrightarrow y. والتفسير: بين المستطيلات ذات الفسحة x,y0x, y \geq 0 و x+y3x + y \leq 3، يكون الجداء xy(3xy)xy(3 - x - y) لِما في «أجزاء» 33 الثلاثة أكبرَ ما يكون عندما تتساوى الأجزاء — وهو ظلٌّ في متغيرين لمبدأ المتوسطين الحسابي والهندسي.

اقرأ في الفصل ←