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
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
对
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
-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
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-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
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-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
-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
-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
-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
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-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
--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
-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
--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
-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
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-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