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多元可微函数的梯度

下一节:多元函数梯度的应用

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多元可微函数的梯度课程教案、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

多元可微函数的梯度

前面我们采用控制变量法

将二元函数与多元函数的偏导数和方向导数

约化为一元函数的导数进行计算

那里并没有假定多元函数是否可微

它们反映的是多元函数沿着

某个方向上的变化情况

接着我们利用二重极限定义了

二元函数的可微性和全微分

它们刻画了多元函数在

某点附近的整体变化情况

那么 多元可微函数的方向导数

何时取到最大值

由此可以引出什么样的概念

这就是本节的主要内容

对于给定的二元函数f(x,y)

定点

以及方向l

考察函数f在点处

沿方向l的方向导数

它刻画了函数f在点处

沿方向l的变化率

前面我们从

沿着过点平行于l的直线

考察函数f的变化情况

引出了函数的方向导数定义

并推导方向导数的极限形式计算公式

这里并没有要求二元函数f是否可微

如果加上二元函数f可微这个条件

可以利用全微分概念

或者复合函数求导的链式法则

可以利用二元函数的偏导数和方向余弦

表达函数的方向导数

例如 对于这个具体的二元函数

以及定点

方向l

如何计算函数f在点

沿方向l的方向导数

可以利用方向导数的极限形式计算公式

也可以利用偏导数和方向余弦来计算

计算可得

函数f在点处沿方向l的

方向导数等于五分之四十四

对于给定的二元函数f(x,y)

定点

如果希望考察函数f在点处

沿不同方向上的方向导数变化情况

比如

方向导数何时取到最大值等

就需要让方向变化起来

再由偏导数和方向余弦表达

方向导数的公式中

利用柯西不等式

可以得到方向导数绝对值的一个上界

注意到

方向余弦的平方和等于常数1

因此这个上界就是二元函数f的

两个偏导数的平方和

再开根号

这个上界可以取到吗

考察柯西不等式何时取到等号

对 要求其中的数对应成比例

也就是方向向量与向量

平行

上面考察了函数f在点处

沿不同方向上的方向导数

同时取到最大值问题

得到了一个特殊的向量

它的方向就是

方向导数取到最大值时的方向

而它的大小

就是方向导数的最大值

我们把这个特殊的方向称为

二元函数f在点处的梯度

它刻画的是函数f

在点处增长最快的方向和最大的变化率

如果让

在函数f所有的可微点处变化

每一个可微点

定义了一个梯度向量

我们就得到一个梯度场

这样从一个可微函数出发

对于每一点我们定义了一个梯度向量

点变化起来我们得到一个梯度场

我们称这种运算为梯度运算

在上面的定义过程中

我们并没有用到任何坐标系的信息

也就是这个定义只依赖于函数自身的信息

我们称这个定义为内蕴的

如果选取直角坐标系

那么 二元可微函数的梯度

也可以用偏导数来表达

也就是

梯度场为

而梯度运算就是从可微函数得到

梯度向量或者梯度场的运算过程

例如对于这个具体的二元函数f

它在点处的梯度向量为(17,-8)

而函数f的梯度场

则为向量值函数

(8x-y,-x+6y)

对于两个可微函数f和g

利用前面推导的可微函数四则运算可知

可微函数f和g的线性组合一定可微

那么

可微函数的线性组合的梯度等于多少

利用可微函数梯度的定义

或者直角坐标系下梯度的计算公式

可以得到

可微函数线性组合的梯度

等于可微函数梯度的线性组合

也就是

梯度运算是一种线性运算

同学 动脑想一想

自己动手验算一下

到学习讨论区与小伙伴们交流交流吧

对于两个可微函数f和g

利用前面推导的可微函数的四则运算可知

f和g的乘积函数一定可微

那么

可微函数乘积函数的梯度等于多少

利用可微函数的梯度的 定义

或者直角坐标系下梯度的计算公式

可以得到

可微函数乘积函数的梯度

等于两项之和

也就是说

梯度运算满足莱布尼兹法则

同学 动脑想一想

自己动手验算推导一下

梯度满足莱布尼兹法则

到学习讨论区与小伙伴们交流交流吧

梯度运算的线性性

以及满足莱布尼兹法则

这两个性质合在一起

说明梯度就像一元函数求导运算

多元函数求偏导运算等运算一样

都是微分运算

对于一元可微函数

和一个二元可微函数的所构成的复合函数

它是可微的二元函数

那么如何求出这个可微复合函数的梯度

同样利用可微函数的梯度的定义

或者直角坐标系下梯度的计算公式

可以得到

可微函数的复合函数的梯度

等于两个因子的乘积

一个因子是外层一元函数的导数

另一个是内层的二元函数的梯度

这就是说

可微函数的复合函数求梯度的链式法则

同学 动脑想一想

自己动手验算推导一下

梯度满足链式法则

到学习讨论区与小伙伴们交流交流吧

由上面的推导的梯度性质

可用来简化梯度的计算

设三元函数r是空间中点到原点的距离

试分别求出函数r和1/r的梯度

利用直角坐标系下梯度的计算公式

函数r的梯度

就是由函数r关于变量x y z的偏导数

作为相应坐标的向量

直接计算可得

函数r的梯度等于

位置向量(x,y,z)除以它的模长r

这里自然要求分母r不为零

当r等于零时

函数r在原点处不可微

当然没有梯度一说

而函数1/r在原点处没有定义

所以也不用考察它在原点处的梯度

对于r不为零

函数1/r可以看成

倒数函数与三元函数r的复合

利用链式法则可知

函数1/r的梯度等于倒数函数的导数

乘以函数r的梯度

计算可得

函数1/r的梯度等于

这个表达的是

位置向量方向上的单位向量

这个函数及其梯度具有明确的物理意义

函数1/r可以用来刻画

引力场和静电场的位势函数

而它的梯度则可以用来刻画

引力场和静电场的场强

本讲

从考察多元可微函数方向导数

何时取最大值

引入多元函数的梯度概念

并探讨了梯度的性质

例如线性性 莱布尼兹法则

以及链式法则等

梯度的线性性和莱布尼兹法则

说明梯度也是一种微分运算

这些性质可以帮助简化多元函数

梯度的计算

利用梯度概念

可以统一表达许多几何和物理概念

有关多元函数梯度的应用

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

多元可微函数的梯度笔记与讨论

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