2.8 多元函数的梯度

高等数学 A2



周维祺

引入:定义梯度的动机

梯度用来刻画某点处函数变化最快的方向及其相应的变化率

梯度的定义

  • f(x,y)f(x,y)(x0,y0)(x_0,y_0)处具有连续的偏导数

  • 定义其梯度为向量 (fx(x0,y0),fy(x0,y0))\left(f_x(x_0,y_0),f_y(x_0,y_0)\right)

  • 记作f\nabla fgradf\mathrm{grad} f

梯度与方向导数

  • 给定单位向量v=(a,b)\vec v=(a,b),考虑过(x0,y0)(x_0,y_0)且与(a,b)(a,b)同向的射线\ell

  • 方向导数:f(x0,y0)=fx(x0,y0)a+fy(x0,y0)b=fv\frac{\partial f}{\partial \ell}(x_0,y_0)=f_x(x_0,y_0)a+f_y(x_0,y_0)b=\nabla f\cdot\vec v

  • 显然v\vec vf\nabla f同向时上述值最大,且为f=fx2+fy2\|\nabla f\|=\sqrt{f_x^2+f_y^2}

  • 显然v\vec vf\nabla f反向时上述值最小,且为f=fx2+fy2-\|\nabla f\|=-\sqrt{f_x^2+f_y^2}

练习

u,v:R2Ru,v:\mathbb R^2\to\mathbb R的各偏导数都存在且连续,cRc\in\mathbb R是一常数

证明梯度的以下运算法则:

(cu)=cu\nabla(cu)=c\nabla u

(u+v)=u+v\nabla(u+v)=\nabla u+\nabla v

(uv)=uv+vu\nabla(uv)=u\nabla v+v\nabla u

(uv)=vuuvv2\nabla(\frac{u}{v})=\frac{v\nabla u-u\nabla v}{v^2}

等值线

  • 用平面z=cz=c截曲面z=f(x,y)z=f(x,y)得一曲线

  • 将这一曲线f(x,y)=cf(x,y)=c投影(画)在xyxy平面上

  • cc变化时,得到一族曲线,称为z=f(x,y)z=f(x,y)的等值线

  • 例子:等高线

非零梯度垂直于等值线

梯度存在,要求函数可微
若梯度不为零,则其垂直于等值线的切线

直观理解

  • z=f(x,y)z=f(x,y)的全微分存在,记v=(Δx,Δy)v=(\Delta x, \Delta y)

  • f(x+Δx,y+Δy)f(x,y)+fvf(x+\Delta x,y+\Delta y)\approx f(x,y)+\nabla f\cdot v

  • vv是等值线切线的方向,则在vv的方向上ff的值无变化

  • fv=0\nabla f\cdot v=0, 即f=0\nabla f=0fv\nabla f\perp v

练习

  • 给定a,b>0a,b>0和椭圆 x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1

  • 求各点处的切线斜率

  • z=x2a2+y2b2z=\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}在各点处的梯度

  • 验证上述梯度与切线方向垂直

一般情况

  • f:RnRf:\mathbb R^n\to\mathbb Rx=(x1,,xn)\vec x^*=(x_1^*,\ldots,x_n^*)处具有连续的偏导数

  • 定义其梯度为向量 (fx1(x),,fxn(x))\left(f_{x_1}(\vec x^*),\ldots,f_{x_n}(\vec x^*)\right), 记作f\nabla fgradf\mathrm{grad} f

  • 单位向量vRn\vec v\in\mathbb R^n方向上的方向导数是fv\nabla f\cdot\vec v

  • 梯度刻画了函数变化最快的方向和变化率,非零梯度垂直于等值线

应用:边界检测

小结

  • 梯度的定义

  • 梯度与偏导数、全微分、方向导数的关系

  • 梯度与函数变化方向和等值线的关系

  • nn元函数的梯度