Формула производной по направлению

Формула производной по направлению

Лекция 15. «Дифференцирование функции нескольких переменных»

Градиент функции двух переменных и производная по направлению.

Определение. Градиентом функции

.

Иначе, этот вектор может быть записан следующим образом:

Как видно из определения градиента функции, компонентами вектора градиента являются частные производные функции.

Пример. Вычислить градиент функции

Решение. Вычислим частные производные функции.

В общем виде градиент функции имеет вид:

=

Подставим координаты точки A(2,3) в выражения частных производных

В градиент функции в точке A(2,3) имеет вид:

=

Аналогично можно определить понятие градиента функции трех переменных:

Определение. Градиентом функции от трех переменных

Иначе, этот вектор может быть записан следующим образом:

Определение производной по направлению.

Пусть задана функция двух переменных

и произвольный вектор

Рассмотрим приращение этой функции, взятое вдоль данного вектора

Т.е. вектор коллинеарный по отношению к вектору . Длина приращения аргумента

Производной по некоторому направлению называется предел отношения приращения функции вдоль данного направления на длину приращения аргумента, когда длина приращения аргумента стремиться к 0.

Формула для вычисления производной по направлению.

Исходя из определения градиента, производную функции по направлению, можно посчитать следующим образом.

некоторый вектор. Вектор с тем же направлением, но единичной длины назовем

Координаты этого вектора вычисляются следующим образом:

Из определения производной по направлению , производная по направлению может быть вычислена по следующей формуле:

Правая часть этой формулы представляет собой скалярное произведение двух векторов

Поэтому, производную по направлению можно представить в виде следующей формулы:

Из этой формулы следует несколько важных свойств вектора градиента.

Производная в данной точке по направлению вектора S имеет наибольшее значение, если направление вектора S совпадает с направлением градиента; это наибольшее значение производной равно | |.

Производная по направлению вектора, перпендикулярного к вектору равна нулю.

Первое свойство градиента следует из того очевидного факта, что скалярное произведение двух векторов принимает наибольшее значение, когда вектора совпадают по направлению. Второе свойство следует из того, что скалярное произведение перпендикулярных векторов равно нулю. Кроме того, из первого свойства следует геометрический смысл градиента – градиент это вектор, вдоль направления, которого производная по направлению наибольшая. Так как производная по направлению определяет тангенс угла наклона касательной к поверхности функции, то градиент направлен вдоль наибольшего наклона касательной.

Пример 2. Для функции (из примера 1)

Вычислить производную по направлению

Решение. Для вычисления производной по направлению надо вычислить вектор градиента в указанной точке и единичный вектор направления (т.е. нормализовать вектор ).

Вектор градиента был вычислен в примере 1:

Вычисляем единичный вектор направления:

Вычисляем производную по направлению:

#2. Максимум и минимум функции нескольких переменных.

Определение. Функция

Имеет максимум в точке (т. е. при и ), если

для всех точек , достаточно близких к точке и отличных от нее.

Определение. Совершенно аналогично говорят, что функция

Имеет минимум в точке (т. е. при и ), если

для всех точек , достаточно близких к точке и отличных от нее.

Максимум и минимум функции называются экстремумами функции, т. е. говорят, что функция имеет экстремум в данной точке, если эта функция имеет максимум или минимум в данной точке.

Имеет очевидный минимум z = -1 при x = 1 и y = 2.

Имеет максимум в точке при x = 0 и y = 0.

Теорема. (необходимые условия экстремума).

Если функция достигает экстремума при , , то каждая частная производная первого порядка от z или обращается в нуль при этих значениях аргументов, или не существует.

Замечание. Эта теорема не является достаточной для исследования вопроса об экстремальных значениях функции. Можно привести примеры функций, которые в некоторых точках имеет нулевые частные производные, но не имеет экстремума в этих точка.

Читайте также:  Самый простой эмулятор андроид для windows 7

Пример. Функции, которая имеет нулевые частные производные, но не имеет экстремума.

В точке .

Достаточные условия экстремума.

Теорема. Пусть в некоторой области, содержащей точку , функция имеет непрерывные частные производные до третьего порядка включительно; пусть, кроме того, точка является критической точкой функции , т.е.

Тогда при ,

имеет максимум, если

имеет минимум, если

не имеет ни минимума, ни максимума, если

может иметь экстремум, а может и не иметь — требуется дополнительное исследование, если

Пример 3.2. Исследовать на максимум и на минимум функцию

Найдем критические точки, т.е. точки, в которых первые частные производные равны нулю или не существуют.

Сначала вычисляем сами частные производные.

Приравниваем частные производные нулю и решаем следующую систему линейных уравнений

= 0

Умножаем второе уравнение на 2 и складываем с первым. Получится уравнение только от y.

Находим и подставляем в первое уравнение

Находим

Следовательно, точка () является критической.

Вычислим вторые производные второго порядка и подставим в них координаты критической точки.

В нашем случае, подставлять значения критических точек не надо, так как вторые производные являются числами.

Следовательно, найденная критическая точка, является точкой экстремума. Более того, так как

Понятие производной по направлению

Понятие производной по направлению рассматривается для функций двух и трёх переменных. Чтобы понять смысл производной по направлению, нужно сравнить производные по определению

Рассматривая функцию одной переменной, мы выяснили, что на оси Oy отображается приращение функции f(x) , соответствующее приращению аргумента x . Если мы имеем дело с функцией трёх переменных, то приращения аргументов x , y , z отображаются на осях Оx , Оy , Оz . Сам собой напрашивается вопрос: а где можно отобразить приращение уже не аргументов, а функции трёх переменных?

И вот ответ на этот вопрос: приращение функции трёх переменных отображается на некоторой прямой, направление которой определяется вектором, произвольно заданным в задаче.

Если рассматривается функция двух или трёх переменных, то два или три измерения задают аргументы, а упомянутая прямая, на которой отображается приращение функции, — это ещё одно измерение и для его акцентирования назовём это измерение не третьим или четвёртым, а нулевым, следуя программистской традиции (в программировании отсчёт чаще начинается не с единицы, а с нуля).

Для того, чтобы перейти к строгому математическому определению производной по направлению, нужно рассмотреть:

1) функцию u = f(M) , определённую в окрестности точки M с координатами x , y , z ;

Через точку M проводим прямую, одно из двух возможных направлений которых совпадает с направлением вектора l . На получившейся прямой отметим точку M 1 , координаты которой образуют суммы координат точки M и приращений соответствующих аргументов функции трёх переменных:

Величину отрезка MM 1 можно обозначить .

Функция u = f(M) при этом получит приращение

.

Определение производной по направлению. Предел отношения при , если он существует, называется производной функции u = f(M) по направлению вектора l и обозначается , то есть

.

Формула, которой нужно пользоваться для нахождения производной по направлению, следующая:

.

Смысл этой формулы: производная по направлению является линейной комбинацией частных производных, причём направляющие косинусы показывают вклад в производную по направлению соответствующей частной производной.

Примеры нахождения производной по направлению

Пример 1. Найти производную функции в точке M 0 (1; 2; 3) по направлению вектора .

Найдём направляющие косинусы, пользуясь определением скалярного произведения векторов:

Теперь можем найти производную по направлению данной функции по её формуле:

А сейчас — домашнее задание. В нём дана функция не трёх, а лишь двух переменных, но несколько иначе задан направляющий вектор. Так что придётся вновь повторить векторную алгебру.

Читайте также:  Секретное слово указка ру ноябрь 2018

Пример 2. Найти производную функции в точке M 0 (1; 2) по направлению вектора , где M 1 — точка с координатами (3; 0) .

Вектор, задающий направление производной, может быть дан и в такой форме, как в следующем примере — в виде разложения по ортам координатных осей, но эта хорошо знакомая тема из самого начала векторной алгебры.

Пример 3. Найти производную функции в точке M 0 (1; 1; 1) по направлению вектора .

Решение. Найдём направляющие косинусы вектора

Найдём частные производные функции в точке M 0 :

Следовательно, можем найти производную по направлению данной функции по её формуле:

.

Градиент функции

Градиент функции нескольких переменных в точке M 0 характеризует направление максимального роста этой функции в точке M 0 и величину этого максимального роста.

Как найти градиент?

Нужно определить вектор, проекциями которого на оси координат являются значения частных производных , , этой функции в соответствующей точке:

.

То есть, должно получиться представление вектора по ортам координатных осей, в котором на каждый орт умножается соответствующая его оси частная производная.

Для градиента функции двух переменных формула короче:

.

Пример 4. Найти градиент функции в точке M 0 (2; 4;) .

Решение. Найдём частные производные функции в точке M 0 :

Следовательно, можем записать искомый градиент данной функции:

.

Вводя понятие частной производной функции многих переменных, мы давали приращение переменным по отдельности, оставляя все остальные аргументы неизменными. В частности, если рассматривать функцию двух переменных z = f(x,y), то либо переменной x давалось приращение Δx, и тогда в области определения функции происходил переход из точки с координатами (x,y) в точку с координатами (x + Δx; y); либо переменной y давалось приращение Δy, и тогда в области определения функции происходил переход из точки с координатами (x,y) в точку с координатами (x; y + Δy) (см. рисунок 5.6). Таким образом, точка, в которой мы брали частную производную функции, перемещалась в направлениях, параллельных координатным осям на плоскости (либо параллельно оси абсцисс, либо параллельно оси ординат). Рассмотрим теперь случай, когда направление может быть взято произвольно, т.е. приращения даются сразу нескольким переменным. Для случая функции двух переменных мы перейдем в точку (x + Δx; y + Δy), при этом перемещение составит Δl (см. рисунок 5.6).

При перемещении в данном направлении функция z получит приращение Δlz = f(x + Δx; y + Δy) – f(x,y), называемое приращением функции z в данном направлении l.

Производной zl` по направлению l функции двух переменных
z = f(x,y) называют предел отношения приращения функции в этом направлении к величине перемещения Δl при стремлении последней к нулю, т.е. .

Производная zl`характеризует скорость изменения функции в направлении l.

Понятие производной по направлению может быть обобщено на функции с любым числом переменных.

Рисунок 5.6 – Перемещение точки по направлению l

Можно доказать, что zl` =zх`cos α + zу`cos β, где α и β – углы, образованные направлением перемещения точки с осями координат (см. рисунок 5.6).

Например, найдем производную функции z = ln (x 2 + xy) в точке
(3; 1) в направлении, идущем от этой точки к точке (6; -3) (см. рисунок 5.7).

Для этого вначале найдем частные производные этой функции в точке (3; 1): zx` = (2x + y)/(x 2 + xy) = (2*3 + 1)/(3 2 + 3*1) = 7/12;
zy` = x/(x 2 + xy) = 3/(3 2 + 3*1) = 3/12 = 1/4.

Отметим, что Δx = 6 – 3 = 3; Δy = -3 – 1 = -4; (Δ l) 2 = 9 + 16 = 25;
l| = 5. Тогда cos α = 3/5; cos β = -4/5; zl` =zх`cos α + zу`cos β = (7/12)*(3/5) — (1/4)*(4/5) = (7/4)*(1/5) — (1/4)*(4/5) = (7*1 – 1*4)/(4*5) = 3/20.

Рисунок 5.7 – Перемещение точки (3; 1) в направлении, идущем
к точке (6; -3)

Читайте также:  Криптограф dr web что это

Градиент функции

Из школьного курса математики известно, что вектор на плоскости представляет собой направленный отрезок. Его начало и конец имеют по две координаты. Координаты вектора рассчитываются путем вычитания из координат конца координат начала.

Понятие вектора может быть распространено и на n-мерное пространство (вместо двух координат будет n координат).

Градиентом grad z функции z = f(х1, х2, …хn) называется вектор частных производных функции в точке, т.е. вектор с координатами .

Можно доказать, что градиент функции характеризует направление наискорейшего роста уровня функции в точке.

Например, для функции z = 2х1 + х2 (см. рисунок 5.8) градиент в любой точке будет иметь координаты (2; 1). Построить его на плоскости можно различными способами, взяв в качестве начала вектора любую точку. Например, можно соединить точку (0; 0) с точкой (2; 1), или точку (1; 0) с точкой (3; 1), или точку (0; 3) с точкой (2; 4), или т.п. (см. рисунок 5.8). Все построенные таким образом вектора будут иметь координаты (2 – 0; 1 – 0) =
= (3 – 1; 1 – 0) = (2 – 0; 4 – 3) = (2; 1).

Из рисунка 5.8 хорошо видно, что уровень функции растет в направлении градиента, поскольку построенные линии уровня соответствуют значениям уровня 4 > 3 > 2.

Рисунок 5.8 — Градиент функции z = 2х1 + х2

Рассмотрим другой пример – функцию z = 1/(х1х2). Градиент этой функции уже не будет всегда одинаковым в разных точках, поскольку его координаты определяются формулами (-1/(х1 2 х2); -1/(х1х2 2 )).

На рисунке 5.9 представлены линии уровня функции z = 1/(х1х2) для уровней 2 и 10 (прямая 1/(х1х2) = 2 обозначена пунктиром, а прямая
1/(х1х2) = 10 – сплошной линией).

Рисунок 5.9 — Градиенты функции z = 1/(х1х2) в различных точках

Возьмем, например, точку (0,5; 1) и вычислим градиент в этой точке: (-1/(0,5 2 *1); -1/(0,5*1 2 )) = (-4; -2). Заметим, что точка (0,5; 1) лежит на линии уровня 1/(х1х2) = 2, ибо z = f(0,5; 1) = 1/(0,5*1) = 2. Чтобы изобразить вектор (-4; -2) на рисунке 5.9, соединим точку (0,5; 1) с точкой (-3,5; -1), ибо
(-3,5 – 0,5; -1 — 1) = (-4; -2).

Возьмем другую точку на той же самой линии уровня, например, точку (1; 0,5) (z = f(1; 0,5) = 1/(0,5*1) = 2). Вычислим градиент в этой точке
(-1/(1 2 *0,5); -1/(1*0,5 2 )) = (-2; -4). Чтобы изобразить его на рисунке 5.9, соединим точку (1; 0,5) с точкой (-1; -3,5), ибо (-1 — 1; -3,5 — 0,5) = (-2; -4).

Возьмем еще одну точку на той же самой линии уровня, но только теперь в неположительной координатной четверти. Например, точку (-0,5; -1) (z = f(-0,5; -1) = 1/((-1)*(-0,5)) = 2). Градиент в этой точке будет равен
(-1/((-0,5) 2 *(-1)); -1/((-0,5)*(-1) 2 )) = (4; 2). Изобразим его на рисунке 5.9, соединив точку (-0,5; -1) с точкой (3,5; 1), ибо (3,5 – (-0,5); 1 – (-1)) = (4; 2).

Следует обратить внимание, что во всех трех рассмотренных случаях градиент показывает направление роста уровня функции (в сторону линии уровня 1/(х1х2) = 10 > 2).

Можно доказать, что градиент всегда перпендикулярен линии уровня (поверхности уровня), проходящей через данную точку.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9821 — | 7504 — или читать все.

Ссылка на основную публикацию
Файл с расширением dav чем открыть
Файл формата DAV открывается специальными программами. Чтобы открыть данный формат, скачайте одну из предложенных программ. Чем открыть файл в формате...
У вас сломался холодильник
Поломка холодильника всегда застает в врасплох. И определить причину моментально практически невозможно. Нужно как можно быстрее «спасти» продукты. Обычно надолго...
У каких марок телефонов хорошая камера
Производители будто бы соревнуются - кто сколько датчиков встроит в девайс. Есть уже с четырьмя и даже пятью камерами! Как...
Файл подкачки windows 7 на флешку
В прошлой статье рассказано, как определиться с оптимальным размером файла подкачки, что делать с SSD-дисками и как установить размер файла...
Adblock detector