第09章07方向导数与梯度(1)VIP免费

3第7节方向导数与梯度7.1方向导数根据偏导数的定义，只与直线段上的函数值有关，是在点沿轴正方向的变化率。是在点沿轴正方向的变化率。它们反映不了在点沿其他方向的变化。我们还要考虑函数在点处沿其他方向的变化率，这就是所谓的方向导数．设点，是平面上的某向量，方向的单位向量．（见黑板图）沿方向的平均变化率在点沿方向的变化率称为在点沿方向的方向导数（如果极限存在），记作．如果此极限不存在，则称在点沿方向不可导。由上面定义可以看出，只与的方向有关，与的大小无关。特别地，若，则；若，则．，分别表示沿着轴正向、轴正向的方向导数．所以，8离散数学方向导数是偏导数的推广．【例7.1】设二元函数，求函数在点处沿方向的方向导数．解当时，，当时，，故．此例告诉我们，非初等函数直接用定义求方向导数。从上例可看到，若，；若时，．即函数在点处沿与的方向导数的绝对值相等但符号相反．一般地有，，为与方向相反的向量．方向导数的计算实际上仍是一元函数右导数的计算．事实上，若令，则．11第1章集合下面定理告诉我们，当函数可微时，可用偏导数来计算方向导数。定理7.1设函数在点可微，则对于任一单位向量，函数在点沿方向的方向导数存在，且．证因在点处可微，则有取，，则．所以存在，且．当函数可微时，方向导数的计算公式其中是平面向量的方向余弦。思考题：1．试考虑从求函数的导数出发，导出上述方向导数的计算公式．8离散数学【例7.2】设，求函数在点处的沿方向的方向导数．解方向的单位向量为，因，；，，故．方向导数的概念还可推广到元函数．设，是中某单位向量，，若函数在处的极限存在，称此极限为元函数在点处沿方向的方向导数．若函数在处可微，，则．如在点处沿方向的方向导数为．若在处是可微的，则方向导数的计算公式．其中是向量的方向余弦。（平面是空间的特例：）11第1章集合【例7.3】设，求它在处沿方向的方向导数．解求出的方向余弦：，，，则．显然函数是可微的，，，，，，，故．注意，利用偏导数求方向导数的计算公式仅在函数在点可微的条件下成立．但由方向导数存在并不能保证函数在该点处可微，因此，若函数在该点不可微时，不能用上述公式，只能用方向导数的定义来讨论．如由例7.1知函数在点处沿所有方向的方向导数均存在，而由于不存在（为什么?（）），故函数在点不连续，因此在点处函数不可微．思考题：2．若函数的两个偏导数，不存在，则方向导数也不存在，对吗？（不对。例：）3．若函数的两个偏导数，存在，且，则有．对吗？（不对。在不一定可微。）4．若函数在点处沿任意方向的方向导数都存在，能否推出函数在该点处连续？反之，若函数在该点处连续，能否得到函数在该点处沿任意方向的方向导数存在？（都不能。）8离散数学7.2梯度设函数在点处可微，则在点沿方向的方向导数其中．是一个固定的常向量。其中为向量与向量间的夹角。定义7.2’设函数在点处可偏导,则称向量为函数在点处的梯度．记作，或，或（是算符，也称这向量微分算子）．即对于在点可偏导的二元函数（二元函数可以看作三元函数）,则．设，则（）即函数在点处沿方向的方向导数等于该点处的梯度与单位向量的数量积．11第1章集合【例7.4】求在点沿指向点方向的方向导数，并求出方向导数的最大值及取得最大值的方向．解因为函数可微，且，，，有，，，又，，故，在该点处方向导数取得最大值的方向为：．方向导数的最大值为．根据定义，容易得到梯度的运算法则：（为常数，函数可微）(1)；(2)；(3)，；(4)．8离散数学7.3梯度场、等高线、等量面1场称物理量在空间或部分空间上的分布为场．一个场，如果分布的物理量是数量，则该场为数量场；如果分布的物理量是向量，则该场为向量场．例如，温度场，密度场，电位场等就是数量场；而力场，速度场，电场强度场等就是向量场．如果空间区域（或平面区域）上有一个数量场，则每一点都有一个数量，是上定义的函数；反过来，如果是上定义的函数，则也是上的一个数量场。因此，上的一个数量场就是上定义的一个函数。如果空间区域（或平面区域）上有一个向量场，则每一点都有一个向量，是上定义的向量函数；反过来，如...