Parciální derivace vyšších řádů.
Definice. Je-li \(U\subseteq \mathbb{R}^{n}\) otevřená množ ina, \(F:U\rightarrow \mathbb{R}^{m}\). Existujı́-li v každém bod ě množiny \(U\) všechny parciálnı́ derivace \(\partial F^{i}/\partial x_{j}\) a jsou-li derivace \[\frac{\partial F^{i}}{\partial x_{j}}:U\rightarrow \mathbb{R}\] na množině \(U\) spojitými funkcemi řı́káme, že funkce \(f\) je na množině \(U\) třı́dy \(C^{1}\) nebo že \(F\) je spojitě diferencovatelná funkce. Dále existujı́ -li parciálnı́ derivace druhého řádu \[\frac{\partial ^{2}F^{i}}{\partial x_{k}\partial x_{j}}:=\frac{\partial }{% \partial x_{k}}\left( \frac{\partial F^{i}}{\partial x_{j}}\right)\] v každém bodě množiny \(U\) a každá funkce \(\frac{% \partial ^{2}F^{i}}{\partial x_{k}\partial x_{j}}:U\rightarrow \mathbb{R}\) je spojitá na \(U\), pak řı́káme, že funkce \(f\) je tř ı́dy \(C^{2}\) na množině \(U\). Induktivně lze oběcně definovat parciálnı́ derivace \(k\)-tého řádu jako parci álnı́ derivace prvnı́ho řádu derivacı́ \(\left( k-1\right)\)-tého řádu. Obecně řekneme, že funkce \(F\) je třı́dy \(C^{k}\) na množině \(U\) nebo že \(F\) je \(k\)-kr át spojitě diferencovatelná na množině \(U\) jestliže jsou všechny parciálnı́ derivace řádu \(\leq k\) na mno žině \(U\) spojité. Funkce třı́dy \(C^{0}\) na \(U\) je jednodu še spojitou funkcı́ na \(U\). Je-li funkce \(F\) na množině \(U\) t řı́dy \(C^{k}\) pro každé \(k\geq 0\), potom řı́ká me, že \(F\) je třı́dy \(C^{\infty }\) na množině \(% U~\)nebo že je hladká nebo nekonečněkrát spojitě diferencovatelná.
Věta. Předpokládejme, že funkce \(f(x,y)\) je definovaná na otevřeném kruhu \(K\) obsahujícím bod \((a,b).\) Jsou-li pak funkce \(\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}\) a\(\frac{\partial^2f}{\partial y\partial x}\) spojitými funkcemi v každém bodě kruhu \(K\), potom \[\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}(a,b)=\frac{\partial^2f}{\partial y\partial x}(a,b).\]
Důkaz. Z otevřenosti \(K\) plyne existence \(\varepsilon>0\) tak, že \[S=\langle a-\varepsilon,a+\varepsilon\rangle\times\langle b-\varepsilon,b+\varepsilon\rangle\subset K.\] Nechť \((h,k)\in\langle -\varepsilon,\varepsilon\rangle\times\langle-\varepsilon,\varepsilon\rangle,\) \(\ h\neq 0,\ k\neq 0,\) pak je definován výraz: \[\Delta(h,k)=f(a+h,b+k)-f(a,b+k)-f(a+h,b)+f(a,b).\] Nechť \(\phi(s)=f(s,b+k)-f(s,b).\) Potom odtud plyne \(\phi\in C(\langle a,a+h\rangle )\) a existuje pro každé \(s\in(a,a+h)\) derivace \(\phi'(s).\) Tedy funkce \(\phi\) splňuje na intervalu \(\langle a,a+h\rangle\) předpoklady Lagrangeovy věty o střední hodnotě a tudíž existuje \(\theta\in(0,1)\) takové, že \[\phi(a+h)-\phi(a)=\Delta(h,k)=\phi'(a+\theta h)h.\] Pak máme: \[\Delta(h,k)=h\left (\frac{\partial f}{\partial x}(a+\theta h,b+k)-\frac{\partial f}{\partial x}(a+\theta h,b)\right ).\] Nyní položme \(\psi(t)=\frac{\partial f}{\partial x}(a+\theta h,t),\) pak je \(\psi\in C(\langle b,b+k\rangle)\) a pro každé \(t\in(b,b+k)\) existuje derivace \(\psi'(t).\) Pak opět v důsledku Lagrangeovy věty o střední hodnotě existuje \(\theta'\in(0,1)\) tak, že \[\psi(b+k)-\psi(b)=\psi'(b+\theta' k)k.\] Pak dostáváme, že \[\frac{\partial f}{\partial x}(a+\theta h,b+\theta' k)-\frac{\partial f}{\partial x}(a+\theta h,b)=k\frac{\partial^2 f}{\partial y\partial x}(a+\theta h,b+\theta' k).\] Neboť je druhá parciální derivace spojitá v bodě \((a,b),\) máme: \[\frac{\partial^2 f}{\partial y\partial x}(a,b)=\lim_{(h,k)\to(0,0)}\frac{\Delta(h,k)}{hk}=\lim_{(h,k)\to(0,0)}\frac{hk\frac{\partial^2 f}{\partial y\partial x}(a+\theta h,b+\theta' k)}{hk}.\] Podobně lze veličinu \(\Delta(h,k)\) vyjádřit jako \[\Delta=\phi_1(b+k)-\phi_1(b),\] kde \(\phi_1(t)=f(a+h,t)-f(a,t).\) Potom lze analogicky ukázat, že \[\lim_{(h,k)\to(0,0)}\frac{\Delta(h,k)}{hk}=\frac{\partial^2 f}{\partial x\partial y}(a,b).\]
Cvičení. Mějme dánu funkci předpisem: \[ f(x,y)= \begin{cases} xy\frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}, &\text{jestliže $x^2+y^2\neq 0$;}\\ 0, &\text{jestliže $x^2+y^2=0$.} \end{cases} \] Dokažte, že potom platí: \[ \frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}(0,0)=1\neq -1=\frac{\partial^2f}{\partial y\partial x}(0,0). \]