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liu9-7方向导数与梯度
等高线图举例 * * 复习 第七节 方向导数与梯度 问题的提出 方向导数 梯度 小结 一、问题的提出: 在山坡上沿不同方向 空气沿不同方向流动 z=f(x,y)当(x,y)沿不同方 行走时陡缓不一样. 的快慢不一样. 在数学上,即设函数 向改变时的变化率决定陡缓与快慢. 如图: 二、方向导数 1.定义: 则称 记作 x o y 说明: 的变化率. ?l与x轴正向一致时, 则 反映函数随自变量变化而变化的快慢程度. ?l与x轴负向一致时, 类似地: ?l与y轴正向一致时, ?l与y轴负向一致时, 注: 偏导数与方向导数不一样. 结论: 如: 在 点处沿任一方向 的方向导数为: 但 在 点不可导. 定理 那么函数在 2.方向导数的存在性及其计算方法: 证明 则 该点沿任一方向 的方向导数存在,且有 故 说明: (1)可微 沿任一方向的方向导数存在. 反之不一定成立. 如: 在 点处沿任一方向 的方向导数为1, 但它在 处不可微(因不可导). 则 (3)若计算 ,只需在题设中找到 例1 解 与它同向的单位向量为: 则所求方向导数为: 例2 求函数 在点P(2, 3)沿曲线 朝 x 增大方向的方向导数. 已知曲线用参数方程表示为 它在点 P 的切向量为 解 3.推广可得三元函数方向导数的定义及计算公式 (1)定义:函数 在点 处沿方向 的方向导数. 例3 解 方向余弦为 而 同理得 思考题: 例4 解 由方向导数的计算公式知: 二、梯度 方向导数公式 令向量 方向导数取最大值: 这说明 方向:f 变化率最大的方向 模 : f 的最大变化率之值 1.定义 即 同样可定义二元函数 称为函数 f (x,y,z) 在点 P 处的梯度 记作 (gradient), 在点 处的梯度 说明: 函数的方向导数为梯度在该方向上的投影. 向量 2. 梯度与方向导数的关系: (1)区别: (2)联系: 梯度是向量,方向导数是数量. 函数在某点的梯度是这样一个向量,它的方向与 方向导数的最小值? 取得最大方向导数的方向一致,而它的模为方向导数 的最大值.梯度的模为 3. 梯度的几何意义 x y z o c 等高线 称为函数 f 的等值线 . 则L*上点P 处的法向量为 梯度为等高线上的法向量. 也叫等高线 同样, x y z o 有等值面(等量面) 对应函数 当各偏导数不同时为零时, 其上点P处的法向量为 4.梯度与等高线的关系: --------- 梯度的几何意义 这是利用数学软件Mathematica 绘制的曲面及其等高线图, 带 阴影的等高线图中, 亮度越大 对应曲面上点的位置越高 等高线图 带阴影的等高线图
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