当前课程知识点:多元微积分(先修课) >  第三章 多元函数的微分及其应用 >  第一节 偏导数与方向导数 >  多元函数的方向导数

返回《多元微积分(先修课)》慕课在线视频课程列表

多元函数的方向导数在线视频

多元函数的方向导数

下一节:多元函数的可微性与全微分

返回《多元微积分(先修课)》慕课在线视频列表

多元函数的方向导数课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课

《多元微积分》MOOC课堂

我是中国科大微积分老师

宣本金

网上人称“笨笨熊”老师

本讲

我们来学习多元函数的方向导数

上一讲

我们采用控制变量法

将二元函数与多元函数约化为一元函数

进而定义和计算二元函数的一阶偏导数

二元函数关于变量x的偏导数

刻画了函数在某一点

沿平行x轴的变化率

而关于变量y的偏导数

刻画了函数在某一点

沿着平行y轴的变化率

这里x轴或者y轴

仅表示平面上的某个方向而已

那么

如何刻画二元函数沿其它方向上的变化率

这就需要引入二元函数的方向导数了

考察二元函数f(x,y)

给定一个定点P 0和一个单位向量l

如何计算二元函数f

在点P 0 沿方向l的变化率

首先

我们来考察过P 0点

沿方向l的直线方程

利用点和方向的信息

可以写出直线L的点向式方程

令比值等于t

可得到直线的参数方程

考察二元函数在直线上的取值

这是一个仅依赖于参数t的一元函数

令为g(t)

当考察二元函数在直线上取值时

我们可得到一个关于参数t的一元函数

这个一元函数在t=0处的变化情况如何

它说明了什么

求导可得

一元函数在t=0处的导数

由导数的几何意义

导数刻画了一元函数在t=0处的变化率

那么

反映到二元函数上

有什么意义

当t=0时

对应直线上的点是P 0

因此

这个一元函数在t=0处的导数

就刻画了二元函数f在点P 0

沿方向l的变化率

把上述计算一般化

就引出了二元函数的方向导数概念

对于一个二元函数

一个定点P 0和单位向量l

如何计算二元函数f在点P 0

沿方向l的变化率

首先

我们来考察过点P 0

沿方向l的直线方程

利用点和方向的信息

可以写出直线的点向式方程

令比值等于t

可得到直线的参数方程

考察二元函数在直线上的取值

这是一个仅依赖于参数t的一元函数

令为g(t)

求导可得

一元函数在t=0处的导数

这个导数就刻画了二元函数f在点P 0

沿方向l的变化率

对于二元函数

一个定点P 0和单位方向l

如何定义和计算二元函数f在点P 0

沿方向l的方向导数

从上面二元函数f在点P 0

沿方向l的变化率概念

可以将二元函数f在点P 0

沿方向l的方向导数

定义为当t从右边趋于零时

函数沿直线L上的增量

和自变量变化量大小t之比的极限

这里

为什么要求t从右边趋于零

还有为什么说t是自变量变化量的大小

同学

动脑想一想

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

如果选取特殊方向

例如

取l方向为x轴正向或者负向的单位向量

计算得到二元函数的方向导数分别是什么

它与二元函数f

关于变量x的偏导数有什么关系

由前面的引入和方向导数的定义

不难发现方向导数的几何意义

即二元函数f在点P 0

沿方向l的变化率

那么

在平面上有多少个方向

这些方向上的方向导数一定存在吗

如何快速地计算出这些方向导数

考察二元函数f(x,y)

在点P 0处的增长最快的方向和最大的增长率

首先

我们来计算二元函数在点P 0处

沿各个方向上的方向导数

设单位方向l

按照方向导数的定义

可以直接计算出二元函数f在点P 0处

沿方向l的方向导数

其次

计算方向导数的最大值

为此

注意到l为单位向量

再利用柯西不等式

可以得到方向导数的绝对值

都小于等于2√5

这个不等式的等号何时可以取到

当单位方向l 0与方向(4,2)平行时

柯西不等式取到等号

也就是

那个上界2√5可以取到

所以

它就是方向导数的最大值

也就是最大的增长率

考察二元函数f(x,y)在原点处

沿各个方向的方向导数是否存在

设单位方向为l

按照方向导数的定义

我们来计算极限

代入函数和方向的表达式

可以发现

只有当α或β=0或π时

这个极限存在

并且为零

也就是沿着坐标轴的方向导数存在

且为零

而对其它方向

这个极限都是无穷大

此时

方向导数不存在

本讲

从多元函数偏导数的几何意义

即函数沿坐标轴等特殊方向上的变化率

引出多元函数沿任意方向上的变化率

也就是函数在某一点

沿着某个方向上的方向导数概念

几何上

方向导数就是定量的刻画了

多元函数在某一点

沿着某个方向上的变化率

计算上

方向导数就是计算一个特殊形式的极限

当然

对于多元函数方向导数

还有一般性的存在性问题

以及快速计算等问题

这就需要对多元函数的可微性

作进一步的研究

有关多元函数的可微性

请听下回分解

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-第一节 空间直角坐标系

--平面初等几何

--平面解析几何

--空间直角坐标系

--空间图形与方程

-第一节 空间直角坐标系--作业

-第二节 空间向量及其运算

--向量及其几何表示

--向量的代数表示

--向量的数量积

--数量积的应用

--平面方程及其应用

--向量的向量积

--向量积的应用

-第二节 空间向量及其运算--作业

-第三节 空间解析几何

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-第一节 多元函数

--平面点集及其分类

--多元函数

-第一节 多元函数--作业

-第二节 多元函数的极限

--二重极限的定义

--二重极限的性质

--二重极限的计算

-第二节 多元函数的极限--作业

-第三节 多元函数的连续性

--多元函数的连续性

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-第一节 偏导数与方向导数--作业

-第二节 多元函数的一阶可微性

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-第二节 多元函数的一阶可微性--作业

-第三节 一阶微分的应用

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-第三节 一阶微分的应用--作业

-第四节 多元函数的高阶可微性

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-第四节 多元函数的高阶可微性--作业

-多元微分学总结

--多元微分学总结

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业

-第二节 二重积分的计算

--极坐标系下的二重积分

--二重积分的换元法

--二重积分计算举例

-第二节 二重积分的计算--作业

-第三节 二重积分的应用

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-第三节 二重积分的应用--作业

-第四节 直角坐标系下的三重积分

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--三重积分计算举例

-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业

-第五节 其它坐标系下的三重积分

--柱坐标系下的三重积分

--球坐标系下的三重积分

-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业

-第六节 三重积分的计算与应用

--三重积分的换元法

--三重积分应用举例

-重积分总结

--重积分总结

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业

-第二节 第一型曲面积分及其应用

--曲面的面积

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业

-曲线曲面积分总结

--曲线曲面积分总结

多元函数的方向导数笔记与讨论

也许你还感兴趣的课程:

© 柠檬大学-慕课导航 课程版权归原始院校所有,
本网站仅通过互联网进行慕课课程索引,不提供在线课程学习和视频,请同学们点击报名到课程提供网站进行学习。