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[数学]方向导数与梯度

例3. 设 二、梯度 三、小结 三元函数梯度的几何解释: 三元函数 的等值面: 由切平面的讨论,知梯度 是等值面Σ在点(x,y,z)处的法向量。 故梯度向量 在任何点都垂直于函数的等值面,并且从函数值较小的等值面指向函数值较大的等值面。 梯度的运算律 类似于导数的运算律 P108,题9 其中C为常数。 解 由梯度计算公式得 故 例5. 设函数 解: (1) 点P处切平面的法向量为 在点 P(1,1,1) 处的切平面方程. 故所求切平面方程为 即 (2) 求函数 f 在点 P (1,1,1) 沿增加最快方向的方向导数. 求等值面 (2) 函数 f 在点P处增加最快的方向为 沿此方向的方向导数为 思考: f 在点P处沿什么方向变化率为0 ? 注意: 对三元函数, 与 垂直的方向 有无穷多 * 目录 上页 下页 返回 结束 * * * * 第九章 第七节 一、方向导数 二、梯度 方向导数与梯度 三、数量场和向量场 一、方向导数 讨论函数沿某个方向的变化率 函数 在点 沿方向 的方向导数: 是函数 z=f(x,y) 在点 M0(x0,y0)沿方向 对ρ的变化率。或者说它是曲面 z=f(x,y) 在点 M0(x0,y0) 沿方向l 倾斜程度(坡度)。 方向导数与偏导数 若偏导数 存在, 则 其中 X轴正向 其中 Y轴正向 方向导数是单向导数(因为ρ0) (类似于一元函数的单侧导数) 偏导数是双向导数(因为Δx 可正负) 因此,在一点处沿x轴或y轴方向的方向导数存在,并不能保证该点的偏导数存在。 例 求函数 在原点沿任何方向的方向导数。 解: 设方向向量为 即函数 (圆锥面)在原点沿任何方向的方向导数都为1. 即函数 (圆锥面)在原点沿任何方向的方向导数都为1. 但是函数 在原点的偏导数不存在。 是上半圆锥面 圆锥面在顶点无切平面。 证明 由于函数可微,则增量可表示为 两边同除以 得到 利用偏导数计算方向导数的公式 故有方向导数 解 解 由方向导数的计算公式知 故 推广可得三元函数方向导数的定义 是曲面 在点 P(1, 1, 1 )处 指向外侧的法向量, 解: 方向余弦为 而 同理得 方向 的方向导数. 在点P 处沿 求函数 其中 称为向量微分算子或 Nabla算子. 因此梯度向量 是使函数在一点的方向导数 达到最大值的方向 在几何上 表示一个曲面 曲面被平面 所截得 所得曲线在xoy面上投影如图2 梯度的几何解释 所得曲线在xoy面上投影为平面曲线 称为函数 的等值线 方程两边微分: 或者说: 梯度的方向就是等值线在这点的法线方向。 等值线 梯度为等值线上的法向量 类似于二元函数,此梯度也是一个向量,其方向与取得最大方向导数的方向一致,其模为方向导数的最大值. 梯度的概念可以推广到三元函数 * 目录 上页 下页 返回 结束

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