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 limΔx→0f(x+Δx)−f(x)Δx\lim_{\Delta x\rightarrow 0}{\frac{f(x+\Delta x)-f(x)}{\Delta x}}limΔx→0Δxf(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=(cosα,cosβ,cosγ)\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=limρ→0u(ρ+Δρ)−u(ρ)Δρ=ux′dxρ+uy′dyρ+uz′dzρ=ux′cosα+uy′cosβ+uz′cosγ\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}∂l∂u=limρ→0Δρu(ρ+Δρ)−u(ρ)=ρux′dx+ρuy′dy+ρuz′dz=ux′cosα+uy′cosβ+uz′cosγ
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=ux′i+uy′j+uz′k,那么方向导数可以写成∂u∂l⃗=∇u∗n⃗0=∣∇u∣∣n⃗0∣cosθ\frac{\partial {u}}{\partial {\vec{l}}}=\nabla u * \vec{n}^0=\left|\nabla u\right|\left|\vec{n}^0\right|\cos {\theta}∂l∂u=∇u∗n0=∣∇u∣∣∣n0∣∣cosθ。
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′(x−x0)+Fy′(y−y0)+Fz′(z−z0)=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'}Fx′x−x0=Fy′y−y0=Fz′z−z0
- 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}x−x0xt′=y−y0yt′=z−z0zt′
- 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′(x−x0)+yt′(y−y0)+zt′(z−z0)=0