设的,若如下极限存在,则该极限称为函数在点,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和,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在点在方向上的变化率。
如果函数在点,那么函数在该点沿任意方向的存在。设的,则有:
因为函数在点,所以有:
若在以点为起点、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的存在。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,函数在点沿方向、以及沿方向的分别为:
这是因为,
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,也就是在及之间,所以就不难理解上述定理中的结论:
同样可证明,如果函数在点,那么函数在该点沿方向的方向导数为: