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 > 第三节 一阶微分的应用 > 多元函数梯度的应用
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梯度的应用
前面
我们从多元可微函数的方向
导数何时取最大值
这个问题出发
引出了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
简化多元可微函数梯度的计算
利用梯度概念
可以统一表达许多几何概念
这就是本讲的中心任务
假设二元函数f(x,y)在点处可微
那么
它在点处的两个一阶偏导数
分别具有什么样的几何意义
对
分别是函数在点处
沿坐标轴方向的变化率
那么
二元函数在点处的全微分
和梯度向量又具有什么样的几何意义
全微分和梯度向量之间又有什么样的关系
考察二元函数全微分的表达式
利用向量的数量积概念
可以将全微分视为梯度向量与向量
(dx,dy)的数量积
那么
向量(dx,dy) 又具有什么样的几何意义
怎么理解梯度向量与向量(dx,dy)的数量积
同学 动脑想一想
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与小伙伴们交流交流吧
对于给定二元可微函数f(x,y)
定点
以及单位方向l
前面推导出了函数f在点处
沿l的方向的导数计算公式
函数的方向导数具有什么样的几何意义
方向导数和梯度向量之间又有什么样的关系
同样利用向量的数量积概念
可以将函数的方向导数视为梯度向量
与单位方向l的数量积
这个数量积的几何意义是什么
考察显式曲面
在点处的切平面方程
这是一个关于x,y的二阶多项式函数
确定的曲面
多项式函数是可微的
而当x=y=1时
函数取值z=0
函数的两个一阶偏导数的取值分别为-2和2
也就是函数在该点的梯度就等于向量(-2,2)
进而可得
函数在该点的全微分df的表达式
由函数的全微分df的表达式
可以迅速得到显式曲面
在该点处的切平面方程吗
注意到 在平面上
Δx=dx Δy=dy Δz=dz=df
因此
在全微分的表达式中
用Δx Δy Δz分别替换掉dx dy df
就可以得到一个关于变量x,y,z的一次方程
这就是显式曲面在该点处的切平面方程
这个做法有一般性吗
假设二元函数f(x,y)在点处可微
也就是函数图像在点处具有切平面
那么如何写出切平面的方程
首先写出函数的全微分df的表达式
因为在平面上
Δx=dxΔy=dy Δz=dz=df
所以在函数的全微分表达式中
用Δx Δy Δz分别替换掉dx dy dz
这就可以得到显式曲面
在该点处的切平面方程
它是平面的点法式方程吗
点是哪个点
方向向量是多少
前面推导出了显式曲面
在一点处的切平面方程
移项可以得到切平面的点法式方程
点就是
法向量就等于二元函数梯度的相反向量
与1所构成的三维的空间向量
这个法向量的z轴的分量为1
表达的是指向斜向上方向的法向量
给定一张显式曲面z=f(x,y)
以及变量x y的参数形式
那么
当参数t在某个范围内变化时(x,y,f(x,y))
在空间中描绘出一个参数曲线r(t)
并且这个参数曲线落在显式曲面z=f(x,y)上
那么
如何确定这个参数曲线的切向量
对参数求微分
可得参数曲线的切向量
并利用复合函数求微分的链式法则
可以利用函数f(x,y)的偏导数
以及变量x,y的参数表达式的导数
表达出参数曲线的切向量
它就是变量x,y的微分
与f(x,y)的全微分构成的向量
而函数f(x,y)的全微分
又可以用函数的梯度
和变量x ,y的微分的数量积表达
同学 你能给出参数曲线切向量
以一个明确的几何解释吗
这个切向量与法向量垂直吗
动手验证一下
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前面
推导了显式曲面z=f(x,y)上
一个参数曲线的切向量
它与曲面在曲线上
任何一点处的法向量垂直吗
在向量代数部分
我们学习了向量垂直的判定
我们学习了向量垂直的判定
也就是
当且仅当
两个向量的数量积为零
则它们相互垂直
同学自己动手验算一下
曲面上的参数曲线的切向量
与曲面的法向量垂直吧
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流吧
曲面上参数曲线的切向量
与曲面的法向量垂直
说明
参数曲线的切向量落在曲面的切平面内
反之
曲面的切平面就是由曲面上
过该点的所有光滑曲线的切线所构成的平面
前面推导了显式曲面z=f(x,y)
在一点处的切平面方程
那么如何推导隐式曲面的切平面方程
假设一个关于变量x,y,z的隐式函数F(x,y,z)=0
一般地
它表达了空间中的一张曲面
称为隐式曲面
假设(a,b,c) 满足方程
也就是点(a,b,c)在隐式曲面上
三元函数F在点(a,b,c)附近可微
那么如何确定隐式曲面
在点(a,b,c)处的切平面方程和法向量
对隐式函数两边同时求全微分
得到一个关于dx dy dz 的线性方程
在这个方程中
用Δx Δy Δz 分别替换掉dx dy dz
就可以得到隐式曲面在该点处的切平面方程
隐式曲面的切平面方程
可以改写为两个向量的数量积为零的形式
一个向量是三元函数F的梯度
另一个向量是切平面内的向量
两者数量积为零
说明三元函数F的梯度
是隐式曲面在该点的法向量
本讲
我们利用多元函数的梯度概念
理解了多元可微函数的全微分 方向导数
以及显式曲面和隐式曲面的法向量
和切平面方程等几何概念
曲面的切平面可以从两个角度理解
一个是与法向量垂直的平面
另一个是
由曲面上过该点的所有光滑曲线的切线
所构成的平面
平面除了显式曲面和隐式曲面形式之外
还有参数曲面
那么
如何确定参数曲面的法向量和切平面方程
有关参数曲面的法向量和切平面方程
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





