文章目录
- 概念
- 方向导数
- 例
- 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):
- ,简记为
- 向量的模:,则
- 零向量:模为0的向量称为零向量,其方向可以看作任意的,记为或
- 单位向量:模为1的向量称为单位向量,通常向量的同向单位向量记为
- 向量的坐标和单位向量表示加法表示
- 取,它们分别是x,y,z轴的方向单位向量
- 则
- 向量夹角
- 设向量,则他们的夹角记为
- 若,则通向
- 若,则反向
- 两者统称为平行
- 向量的数量积(点积,内积)🎈
- 几何表示:
- 代数表示:,则
- 容易看出点积满足交换律
- 特别的
- 时,
- 当b为单位向量时:
- 数量乘的应用
- 求向量的模
- 求两个向量a,b的夹角余弦:
- 判定两个向量垂直
- 空间向量方向余弦🎈
- 设向量
- 和轴的正方向的夹角分别为,则称为向量的方向余弦
- 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
- 容易看出
- 因此, 的单位方向向量
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
- 以三变量函数为例
- 设是给定点
- 是从P出发的射线,它的方向向量用表示
- 设是射线上的任意一点
- 其中,🎈
- 记表示的长度
- 则
- s是向量的方向余弦
- 在这段长度内,函数的平均变化率为:
- 若该极限存在,则称其为在点P沿方向的方向导数,记为
- 由于,
例
- 设多元一次函数,向量的方向余弦为
- 沿方向的平均变化率为
- 这表明,一次函数沿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
- 如果在点可微,则
- 在点沿任意方向的方向导数都存在,
- 且
- 证明:
- 设是上的点,则的方向余弦可以表示为:
- 由假设的可微,由可微的定义:
- 对两边同时除以
- 对两边取极限:
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,也就是使取得相同值得各个点
- 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
- 设是一个数量函数,C是一个常数,关于u,C的等量面:
- 设是等量面上的任意一点,它的法向量为
- 3个系数分别是u的偏导数在点的值
- 称向量为数量函数在的梯度(向量),记为
- 梯度长度:
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)。
- 三维平面的法线是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的方向,记为方向
- 梯度向量的模就是函数沿的变化率
- 证明:
- 设方向的方向余弦为
- 则沿的方向导数
- 令是的方向单位向量,则
- 则
- 可以看出,当(也就是梯度向量与方向单位向量同向),取得最大值(方向导数取得最大值),
- 最大值为
- 也就函数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