方向导数

1 方向导数
,若如下极限存在,则该极限称为函数,记作:

下面直观地来解释下上述定义。让我们在面上的点建立平面坐标系,为该坐标系中的,其与该坐标系中的两个坐标轴的夹角分别为,所以在该坐标系中的,如下图所示。

所以上述定义中的可以如下改写:

所以表示的就是一个动点,时,该动点沿着所在射线,或者说沿着所在的方向,不断地逼近点,如下图所示。

所以时,动点会沿着射线对应的曲线不断地逼近点,如下图所示。

所以上述定义中的方向导数就是函数点在方向上的变化率。

2 可微分时的方向导数
如果函数,那么函数在该点沿任意方向存在。设,则有:

因为函数,所以有:

在以点为起点、方向为的射线上时,有:

结合上,所以:

上述定理说的是:

如下图所示,其中转动的表示任意方向,对应的切向量表示沿方向存在。结合上之前的学习,容易理解这些切向量都在上。

上述定理中还给出了的计算方法。先来看两个特殊的,函数点沿方向、以及沿方向分别为:

这是因为,

  • 方向平行于轴,曲线在该方向上的变化率就是;或这样理解,方向对应的曲面上的曲线平行于轴,根据,其对应的切向量,如下图所示
  • 方向平行于轴,曲线在该方向上的变化率就是;或这样理解,方向对应的曲面上的曲线平行于轴,根据,其对应的切向量,如下图所示

根据上述定理中的条件可知,方向与方向的夹角为,与方向的夹角为。且这些方向上的切向量都在上,如下图所示。

这些切向量都在上,可以想象,这意味着从开始贴着切平面平滑地转动就可到达,途中会经过,如下图所示。

平滑地转动意味着,方向上的变化率会逐渐过度到方向上的变化率,而方向上的变化率介于两者之间,也就是在之间,所以就不难理解上述定理中的结论:

同样可证明,如果函数,那么函数在该点沿方向的方向导数为:

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