EssayAI
Блог
Блог

Как найти область определения функции двух переменных

Запрос

Дано: z=9−x2−y2+ln⁡(x+y−1)z = \sqrt{9 - x^2 - y^2} + \ln(x + y - 1). Найти: область определения D(z)D(z) и её изображение на плоскости OxyOxy.

В записи два опасных места: корень чётной степени и логарифм. Каждое даёт своё неравенство с двумя переменными, а область определения - пересечение их решений. Ответ: D(z)={(x; y):x2+y2≤9, x+y>1}D(z) = \{(x;\,y) : x^2 + y^2 \le 9,\ x + y > 1\}, то есть круговой сегмент, который прямая x+y=1x + y = 1 отрезает от круга радиуса 33. Калькулятор сверху строит эту область для любого радиуса и любой границы логарифма, показывает штриховой линией выколотую часть границы и считает площадь: для чисел задачи S≈9,93S \approx 9{,}93.

Решение по шагам

Дано. z=9−x2−y2+ln⁡(x+y−1)z = \sqrt{9 - x^2 - y^2} + \ln(x + y - 1). Найти: D(z)D(z).

Шаг 1. Выписываем систему неравенств. Область определения функции двух переменных - это множество точек плоскости, в которых все операции формулы выполнимы. Читаем запись слева направо и с каждой операции снимаем своё ограничение: квадратный корень требует неотрицательного подкоренного выражения, натуральный логарифм требует строго положительного аргумента.

{9−x2−y2≥0,x+y−1>0.\begin{cases} 9 - x^2 - y^2 \ge 0, \\ x + y - 1 > 0. \end{cases}

Строки системы соединены союзом «и»: точка попадает в область определения, только если удовлетворяет обоим условиям сразу. Именно поэтому решения пересекают, а не объединяют.

Шаг 2. Первое неравенство задаёт круг. Переносим квадраты вправо:

9−x2−y2≥0⟺x2+y2≤9=32.9 - x^2 - y^2 \ge 0 \quad \Longleftrightarrow \quad x^2 + y^2 \le 9 = 3^2 .

Слева стоит квадрат расстояния от точки (x; y)(x;\,y) до начала координат. Условие означает, что это расстояние не превосходит 33, а значит решение - замкнутый круг с центром O(0; 0)O(0;\,0) и радиусом 33. Неравенство нестрогое, поэтому сама окружность в решение входит: под корнем оказывается нуль, а 0=0\sqrt{0} = 0 - законное значение.

Шаг 3. Второе неравенство задаёт полуплоскость. Выражаем yy:

x+y−1>0⟺y>1−x.x + y - 1 > 0 \quad \Longleftrightarrow \quad y > 1 - x .

Прямая y=1−xy = 1 - x делит плоскость на две полуплоскости, и нужна та, где ордината больше. Проверять удобно пробной точкой: подставим (2; 2)(2;\,2), получим 2+2−1=3>02 + 2 - 1 = 3 > 0 - значит нужная полуплоскость та, в которой лежит эта точка. Неравенство строгое, поэтому сама прямая выкалывается: логарифма нуля не существует.

Шаг 4. Пересекаем круг и полуплоскость. Сначала проверим, режет ли прямая круг. Расстояние от центра до прямой x+y−1=0x + y - 1 = 0:

d=∣0+0−1∣12+12=12≈0,71<3.d = \frac{|0 + 0 - 1|}{\sqrt{1^2 + 1^2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0{,}71 < 3 .

Расстояние меньше радиуса, значит прямая пересекает окружность по двум точкам и отрезает от круга сегмент. Найдём эти точки, подставив y=1−xy = 1 - x в уравнение окружности:

x2+(1−x)2=9,2x2−2x−8=0,x2−x−4=0,x^2 + (1 - x)^2 = 9, \qquad 2x^2 - 2x - 8 = 0, \qquad x^2 - x - 4 = 0,

откуда x=1±172x = \dfrac{1 \pm \sqrt{17}}{2}, то есть x≈2,56x \approx 2{,}56 и x≈−1,56x \approx -1{,}56. Концы хорды: A(2,56; −1,56)A(2{,}56;\,-1{,}56) и B(−1,56; 2,56)B(-1{,}56;\,2{,}56).

Ответ: D(z)={(x; y):x2+y2≤9, x+y>1}D(z) = \{(x;\,y) : x^2 + y^2 \le 9,\ x + y > 1\} - круговой сегмент, отсечённый прямой x+y=1x + y = 1 от круга радиуса 33. Дуга окружности между точками AA и BB в область входит, хорда - нет.

Откуда берётся система неравенств

У функции одной переменной область определения - подмножество числовой прямой, и ответ записывают промежутками. У функции двух переменных аргументом служит пара чисел, поэтому D(z)D(z) - подмножество плоскости, и ответом оказывается фигура: круг, полоса, угол, внешность параболы. Записывать её принято либо системой неравенств, либо фразой с описанием фигуры, и на проверке обычно требуют и то, и другое.

Сам список ограничений от числа переменных не зависит. Корень чётной степени даёт нестрогое неравенство g(x; y)≥0g(x;\,y) \ge 0, знаменатель - условие g(x; y)≠0g(x;\,y) \ne 0, логарифм - строгое g(x; y)>0g(x;\,y) > 0, причём у логарифма с переменным основанием добавляются ещё два условия на основание. Разница только в том, что решением каждого неравенства становится не промежуток, а часть плоскости.

Отсюда и техника: каждое неравенство решается геометрически, то есть переводится в знакомую линию и выбор стороны от неё. Уравнение x2+y2=R2x^2 + y^2 = R^2 задаёт окружность, линейное уравнение - прямую, y=ax2+bx+cy = ax^2 + bx + c - параболу. Сама линия разбивает плоскость на части, внутри каждой знак выражения постоянен, и определить его достаточно одной пробной точкой. Подробный разбор одномерного случая с методом интервалов лежит в разборах области определения корня и области определения логарифма.

Как изобразить область на плоскости

Чертёж здесь не украшение, а часть ответа: по нему проверяют, что пересечение взято правильно. Порядок построения такой. Сначала рисуем границы всех условий как линии: окружность радиуса 33 и прямую x+y=1x + y = 1. Затем для каждого условия отмечаем нужную сторону пробной точкой. Потом закрашиваем то, что попало внутрь всех условий сразу, - это и есть область.

Тип линии несёт смысл. Границу, которая входит в область, рисуют сплошной, выколотую - штриховой. В нашей задаче дуга окружности сплошная, хорда штриховая, и в подписи к ответу это обязательно оговаривают. Ошибка в типе линии равносильна ошибке в знаке неравенства.

Площадь области считать не требуется, но она хорошо работает проверкой: если фигура опознана верно, площадь получается по школьной формуле сегмента. При расстоянии dd от центра до хорды

S=R2arccos⁡dR−dR2−d2=9arccos⁡132−128,5≈9,93.S = R^2 \arccos\frac{d}{R} - d\sqrt{R^2 - d^2} = 9\arccos\frac{1}{3\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{2}}\sqrt{8{,}5} \approx 9{,}93 .

Площадь всего круга равна 9π≈28,279\pi \approx 28{,}27, то есть в ответ попало около 35 %35\,\% круга - прямая прошла недалеко от центра, и это согласуется с картинкой. Ту же величину показывает калькулятор сверху, когда двигаешь радиус и границу логарифма.

Другие ограничения: дробь, арксинус, три переменные

Набор опасных операций небольшой, и каждая переводится в свою фигуру. Таблица отвечает на вопрос «что писать в систему», а последний столбец - на вопрос «как это выглядит».

Что в формулеУсловиеЧто получается на плоскости
g\sqrt{g}, корень чётной степениg≥0g \ge 0область вместе с границей
1g\dfrac{1}{\sqrt{g}}g>0g > 0та же область без границы
ln⁡g\ln g, lg⁡g\lg gg>0g > 0открытая область
fg\dfrac{f}{g}g≠0g \ne 0из области выколота линия
arcsin⁡g\arcsin g, arccos⁡g\arccos g−1≤g≤1-1 \le g \le 1полоса между двумя линиями
tg⁡g\operatorname{tg} gg≠π2+πkg \ne \dfrac{\pi}{2} + \pi kвыколото семейство линий

Отдельного внимания стоит дробь. Условие g≠0g \ne 0 выкалывает из области целую линию, а не точку: например, знаменатель x−yx - y убирает из ответа всю прямую y=xy = x. На площадь это не влияет, но в записи ответа пропустить такое условие нельзя, и в калькуляторе сверху есть отдельный режим с этим случаем.

Для трёх переменных меняется только размерность картинки. Условие x2+y2+z2≤4x^2 + y^2 + z^2 \le 4 задаёт шар, линейное неравенство - полупространство, а их пересечение - шаровой сегмент. Логика та же: выписать систему, решить каждое неравенство геометрически, пересечь. Найденная область дальше нужна для всего остального: частные производные и экстремумы функции двух переменных ищут только внутри неё.

Частые ошибки

  • Берут объединение вместо пересечения. Условия системы должны выполняться одновременно, поэтому закрашивается только общая часть. Объединение даёт заведомо более широкую и неверную фигуру.
  • Пишут строгое неравенство под корнем. Для g\sqrt{g} верно g≥0g \ge 0, окружность входит в ответ. Строгим неравенство становится, только если корень попал в знаменатель: тогда та же окружность выкалывается.
  • Рисуют границу логарифма сплошной линией. Прямая x+y=1x + y = 1 в область не входит ни одной точкой: например, (0; 1)(0;\,1) лежит в круге, но даёт ln⁡0\ln 0.
  • Записывают ответ промежутком. Запись вида x∈[−3; 3]x \in [-3;\,3] описывает не область, а её проекцию на ось, и теряет связь между xx и yy. Ответ обязан быть множеством пар или описанием фигуры.
  • Проверяют сторону полуплоскости по точке на самой прямой. Пробная точка должна лежать строго вне границы, иначе неравенство даст нуль и знак определить не удастся.
  • Теряют условие от знаменателя. Дробь легко не заметить внутри длинной формулы, а она выкалывает целую линию, и без неё ответ формально неверен.

FAQ

Чем область определения функции двух переменных отличается от одномерной? Только видом ответа. Логика та же - система условий и пересечение решений, - но решением каждого неравенства служит часть плоскости, а не промежуток. Поэтому ответ записывают множеством пар {(x; y):… }\{(x;\,y) : \dots\} и сопровождают чертежом.

Как понять, какую сторону от линии закрашивать? Подставить в неравенство любую точку, не лежащую на границе. Если неравенство выполнилось, закрашивается та половина, где точка лежит, если нет - противоположная. Для условий с центром симметрии удобнее всего брать начало координат: в нашей задаче (0; 0)(0;\,0) даёт −1>0-1 > 0 - неверно, значит нужная полуплоскость лежит по другую сторону прямой.

Обязательно ли искать точки пересечения границ? Для записи ответа системой - нет, система уже полная. Но для чертежа и для последующих задач вроде двойного интеграла они нужны: именно из них получаются пределы интегрирования. Находят их, решая уравнения границ совместно.

Может ли область определения оказаться пустой? Да, если условия несовместны. Если в нашей задаче отодвинуть прямую от центра дальше радиуса, общих точек у круга и полуплоскости не останется, и D(z)=∅D(z) = \varnothing. Калькулятор сверху такой случай показывает: заливка исчезает, а площадь обращается в нуль.

Коротко

  1. Выпиши опасные операции: корень чётной степени, знаменатель, логарифм, арксинус, тангенс. Каждая даёт одно условие, вместе они образуют систему.
  2. Реши каждое неравенство геометрически: приведи его к известной линии, определи сторону пробной точкой. Здесь x2+y2≤9x^2 + y^2 \le 9 - замкнутый круг радиуса 33, а x+y>1x + y > 1 - открытая полуплоскость.
  3. Пересеки решения. Расстояние от центра до прямой 12≈0,71\frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0{,}71 меньше радиуса, поэтому прямая режет круг и остаётся сегмент.
  4. Нарисуй область: сплошная линия там, где граница входит в ответ, штриховая - там, где выколота. Здесь дуга сплошная, хорда штриховая.
  5. Ответ примера: D(z)={(x; y):x2+y2≤9, x+y>1}D(z) = \{(x;\,y) : x^2 + y^2 \le 9,\ x + y > 1\}, круговой сегмент с концами хорды A(2,56; −1,56)A(2{,}56;\,-1{,}56) и B(−1,56; 2,56)B(-1{,}56;\,2{,}56) и площадью S≈9,93S \approx 9{,}93.
Задача в тетради или методичке? Сфотографируйте условие - сервис распознает его и решит по шагам с пояснениями.

Похожие задачи

Матанализ

Как найти область определения корня: решение по шагам

Как найти область определения функции с корнем: условие неотрицательности подкоренного выражения, система с дробью и логарифмом, метод интервалов и запись ответа промежутками.

Матанализ

Как найти дифференциал второго порядка функции: формула

Разбираем, как найти дифференциал второго порядка функции: формула через вторую производную, пошаговый расчёт для y = x^3 ln x при dx = 0,1, потеря инвариантности формы и случай двух переменных.

Матанализ

Как найти область определения дроби: по шагам

Как найти область определения дроби: условие «знаменатель не равен нулю», разложение квадратного трёхчлена на множители, дробь под корнем и под логарифмом, ответ промежутками.

Матанализ

Как найти область определения логарифма: по шагам

Как найти область определения логарифма: система из трёх условий на аргумент и основание, логарифм от дроби и от составной функции, метод интервалов и запись ответа промежутками.

Матанализ

Как определить чётность функции: пошаговый разбор

Разбираем, как определить чётность функции: симметрия области определения, подстановка минус икс, сравнение с f(x) и -f(x), три примера с ответом, частые ошибки и калькулятор чётности.

Матанализ

Как найти эластичность функции: пошаговое решение

Как найти эластичность функции через производную: пошаговый расчёт для линейного спроса в точке, определение типа спроса, связь с выручкой и свойства эластичности.