文章目录

  • 概念
  • 方向导数
  • 方向导数公式
  • 梯度
  • 法向量
  • 梯度的特点
  • 梯度运算法则

概念

  • 既有大小(模)又有方向的量,称为向量(或矢量)
  • 印刷体常用黑体字母表示向量
  • 手写通常用头箭头表示向量
  • 向量的大小也被称为模
  • 只考虑方向和大小(而不考虑起点)的向量称为自由向量
  • 向量的坐标(表示):
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积,简记为AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_02
  • 向量的模:AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_03,则AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_04
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_05
  • 零向量:模为0的向量称为零向量,其方向可以看作任意的,记为AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_06AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_07
  • 单位向量:模为1的向量称为单位向量,通常向量AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_08的同向单位向量记为AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_09
  • 向量的坐标和单位向量表示加法表示
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_10,它们分别是x,y,z轴的方向单位向量
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_11
  • 向量夹角
  • 设向量AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_12,则他们的夹角记为AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_13
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_14,则AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_15通向
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_16,则AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_15反向
  • 两者统称为AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_15平行
  • 向量的数量积(点积,内积)🎈
  • 几何表示:AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_19
  • 代数表示:AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_20,则AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_21
  • 容易看出点积满足交换律AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_22
  • 特别的
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_23时,AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_24
  • 当b为单位向量时:AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_25
  • 数量乘的应用
  • 求向量的模AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_26
  • 求两个向量a,b的夹角余弦:AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_27
  • 判定两个向量垂直AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_28
  • 空间向量方向余弦🎈
  • 设向量AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_29
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_30AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_31轴的正方向的夹角分别为AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_32,则称AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_33为向量AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_30的方向余弦
  • 一个向量的方向由方向余弦决定
  • 向量在坐标轴上的投影🎈
  • 设向量AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_35
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_36
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_37
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_38
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_39
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_40
  • 容易看出AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_41
  • 因此,AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_30 的单位方向向量AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_43

方向导数

  • 偏导数反映的是函数(自变量)沿着坐标轴方向的变换率
  • 为例研究多元函数在某一点P沿任意方向(某个方向)的变化率,引入多元函数的方向导数的概念
  • 例如,设AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_44表示某物体内点P的温度,那么这个物体的热传导就依赖于温度沿某些方向的变化率
  • 以三变量函数AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_45为例
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_46是给定点
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_47是从P出发的射线,它的方向向量用AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_48表示
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_49是射线AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_47上的任意一点
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_51
  • 其中,AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_52🎈
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_53表示AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_54的长度
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_55
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_56s是向量AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_47的方向余弦
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_58这段长度内,函数AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_59的平均变化率为:
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_60
  • 若该极限存在,则称其为AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_61在点P沿方向AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_62方向导数,记为
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_63
  • 由于AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_64,AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_65

  • 设多元一次函数AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_66,向量AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_67的方向余弦为AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_68
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_69沿AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_47方向的平均变化率为
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_71
  • 这表明,一次函数沿AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_72方向的方向导数不随点的位置而改变
  • 但是沿不同方向的方向导数一般不同

方向导数公式

  • 如果AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_45在点AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_74可微,则
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_69AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_76点沿任意方向AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_47的方向导数都存在,
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_78
  • 证明:
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_79AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_72上的点,则AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_72的方向余弦可以表示为:
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_82
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_83
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_84
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_85
  • 由假设的AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_86可微,由可微的定义:
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_87
  • 对两边同时除以AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_88
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_89
  • 对两边取极限:
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_90

梯度

  • 梯度是一个与方向导数相关的概念
  • 在研究一个物理量AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_91在某一区域的分布时,常常需要考虑这个区域内由相同物理量的点,也就是使AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_91取得相同值得各个点
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_93
  • 其中C使常数
  • 该方程在几何上表示曲面(称为等量面)
  • 例如气象学中的等压面
  • 电学中的等位面
  • 对于含有两个自变量的的物理量则有等量线
  • 例如地图上的等高线可以反映地面的高低起伏
  • 气象等温线表示地面气温变化
  • 从等量面和等量线出发,引出向量函数
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_94是一个数量函数,C是一个常数,关于u,C的等量面:
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_95
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_96是等量面上的任意一点,它的法向量
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_97
  • 3个系数分别是u的偏导数在点AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_98的值
  • 称向量AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_99为数量函数AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_100AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_101梯度(向量),记为
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_102
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_103
  • 梯度长度:
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_104

法向量

  • 法向量,是空间解析几何的一个概念,垂直于平面的直线所表示的向量为该平面的法向量。
  • 法向量适用于解析几何。由于空间内有无数个直线垂直于已知平面,因此一个平面都存在无数个法向量(包括两个单位法向量)。
  • 三维平面法线垂直于该平面的三维向量
  • 曲面在某点P处的法线为垂直于该点切平面(tangent plane)的向量.

梯度的特点

  • 梯度向量的方向是函数增长最快方向,记为方向AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_105
  • 梯度向量的模就是函数沿AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_105变化率
  • 证明:
  • 设方向AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_47的方向余弦为AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_56
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_109沿AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_47方向导数
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_111
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_112AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_47的方向单位向量,则AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_114
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_115
  • 可以看出,当AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_116(也就是梯度向量与方向单位向量AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_117同向),AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_118取得最大值(方向导数取得最大值),
  • 最大值为AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_119
  • 也就函数AM@向量代数@方向导数与梯度_点积_120沿着梯度向量变化时变化最快,变化率是最大变化率

梯度运算法则

  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_121
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_122
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_算法_123
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_124
  • AM@向量代数@方向导数与梯度_线性代数_125