对导数、偏导数、方向导数、梯度的理解

对导数、偏导数、方向导数、梯度的理解

导数与偏导数

首先说明导数在此处特指二维空间中的切线。
切线定义 lim⁡Δx→0f(x+Δx)−f(x)Δx\lim_{\Delta x\rightarrow 0}{\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}}limΔx0Δxf(x+Δx)f(x),因此在一元函数中,只有一个自变量变动,即只存在一个方向的变化率。
然而在多元函数中,此处以二元函数F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0举例。由于曲面上一个点有任意方向的切线。偏导数Fx′,Fy′,Fz′F_x', F_y', F_z'Fx,Fy,Fz表征的就是函数分别对x轴,y轴,z轴方向的斜率。那如果我要表示任何防线的斜率或导数呢?为解决这个问题就有了方向导数

方向导数

设空间曲线u=f(x,y,z)u=f(x,y,z)u=f(x,y,z)任意两点之间的距离为ρ=(Δx)2+(Δy)2+(Δz)2\rho =\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2+(\Delta z)^2}ρ=(Δx)2+(Δy)2+(Δz)2,并且该点的方向向量为n⃗0=(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)\vec{n}^0=(\cos {\alpha},\cos {\beta},\cos {\gamma})n0=(cosα,cosβ,cosγ)。和二维空间的导数相似∂u∂l⃗=lim⁡ρ→0u(ρ+Δρ)−u(ρ)Δρ=ux′dxρ+uy′dyρ+uz′dzρ=ux′cos⁡α+uy′cos⁡β+uz′cos⁡γ\frac{\partial {u}}{\partial {\vec{l}}}=\lim_{\rho \rightarrow 0}{\frac{u(\rho +\Delta \rho)-u(\rho)}{\Delta \rho}}=\frac{u_x'dx}{\rho}+\frac{u_y'dy}{\rho}+\frac{u_z'dz}{\rho}=u_x'\cos {\alpha}+u_y'\cos {\beta}+u_z'\cos {\gamma}lu=limρ0Δρu(ρ+Δρ)u(ρ)=ρuxdx+ρuydy+ρuzdz=uxcosα+uycosβ+uzcosγ

梯度

实际问题中,往往需要找出函数沿哪个方向的变化率最大,因此梯度概念不是首先产生的,而是根据需要产生的。定义Nabla算子或Hamilton算子 ∇u=ux′i⃗+uy′j⃗+uz′k⃗\nabla u=u_x'\vec{i}+u_y'\vec{j}+u_z'\vec{k}u=uxi+uyj+uzk,那么方向导数可以写成∂u∂l⃗=∇u∗n⃗0=∣∇u∣∣n⃗0∣cos⁡θ\frac{\partial {u}}{\partial {\vec{l}}}=\nabla u * \vec{n}^0=\left|\nabla u\right|\left|\vec{n}^0\right|\cos {\theta}lu=un0=un0cosθ
此处可以看出方向导数是一个变化率,即标量,而梯度是一个矢量。
因此可以得到,当θ=0\theta =0θ=0时,即方向导数方向与梯度方向一致时,函数变化率最大。

空间中的应用

  • 空间曲面F(x,y,z)F(x,y,z)F(x,y,z)的切平面与法线
    • 切平面 Fx′(x−x0)+Fy′(y−y0)+Fz′(z−z0)=0F_x'(x-x_0)+F_y'(y-y_0)+F_z'(z-z_0)=0Fx(xx0)+Fy(yy0)+Fz(zz0)=0
    • 法线 x−x0Fx′=y−y0Fy′=z−z0Fz′\frac{x-x_0}{F_x'}=\frac{y-y_0}{F_y'}=\frac{z-z_0}{F_z'}Fxxx0=Fyyy0=Fzzz0
  • 空间曲线由参数方程x=x(t),y=y(t),z=z(t)x=x(t),y=y(t),z=z(t)x=x(t),y=y(t),z=z(t)给出的切线与法平面
    和空间曲面需要用梯度计算不同,由参数方程给出的空间曲线在某点的方向可以由方向向量直接求出
    • 切线 xt′x−x0=yt′y−y0=zt′z−z0\frac{x_t'}{x-x_0}=\frac{y_t'}{y-y_0}=\frac{z_t'}{z-z_0}xx0xt=yy0yt=zz0zt
    • 法平面 xt′(x−x0)+yt′(y−y0)+zt′(z−z0)=0x_t'(x-x_0)+y_t'(y-y_0)+z_t'(z-z_0)=0xt(xx0)+yt(yy0)+zt(zz0)=0
### 方向导数梯度的区别及其数学性质 #### 方向导数为何是标量 方向导数表示的是函数 \( f(x, y) \) 在某一点沿着某一特定方向的变化率。其定义为: \[ D_{\mathbf{u}}f(\mathbf{x}) = \lim_{h \to 0} \frac{f(\mathbf{x} + h\mathbf{u}) - f(\mathbf{x})}{h} \] 这里,\( \mathbf{u} \) 是单位向量,代表所考虑的方向[^1]。由于该表达式的最终结果是一个数值(即变化速率),因此方向导数本质上是一个标量。 #### 梯度为何是向量 梯度是由多元函数的所有偏导数组成的一个向量。对于二元函数 \( f(x, y) \),它的梯度可以写成如下形式: \[ \nabla f = \left( \frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y} \right) \] 这表明梯度不仅包含了各个变量上的变化信息,还具有方向性——它指向函数值增加最快的方向[^2]。这种双重属性决定了梯度必然是一个向量而非单纯的标量。 #### 数学公式的进一步解释 通过链式法则可得方向导数也可以利用梯度来计算: \[ D_{\mathbf{u}}f(\mathbf{x}) = \nabla f(\mathbf{x}) \cdot \mathbf{u} \] 此处,“·” 表示点积运算。因为两个向量做点乘的结果总是得到一个实数,所以再次验证了方向导数作为标量的事实;而右侧的梯度项则保持其矢量特性不变。 ```python import numpy as np def gradient(f, x, delta=1e-5): """ 计算给定函数在指定位置处的近似梯度 """ grad = [] for i in range(len(x)): dx = np.zeros_like(x).astype(float) dx[i] += delta df = (f(x + dx) - f(x - dx)) / (2 * delta) grad.append(df) return np.array(grad) def directional_derivative(f, x, u, delta=1e-5): """ 使用梯度方法求解方向导数 """ g = gradient(f, x, delta) return sum(gi*ui for gi, ui in zip(g, u)) ```
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包

打赏作者

Weijian Feng

你的鼓励将是我创作的最大动力

¥1 ¥2 ¥4 ¥6 ¥10 ¥20
扫码支付:¥1
获取中
扫码支付

您的余额不足,请更换扫码支付或充值

打赏作者

实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值