Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Конспект Лекций по Математике 4.doc
Скачиваний:
10
Добавлен:
18.11.2019
Размер:
43.89 Mб
Скачать

Производная по направлению и градиент функции n-переменных

Пусть z= в D Еn, M0=(х12,...,хn)-внутренняя точка

Выберем в точке M0 произвольное направление.

Группа 95

Прямая со стрелкой 288 Δ

M0

M1

Cделаем произвольный шаг по выбранному направлению и получим точку M1.

Назовем приращением по направлению l следующую разность:

Определение:

Назовём производной по направлению l от функции в точке следующую величину:

lim

(MM0)

П роизводная по направлению обозначается:

M0

Характеризует скорость изменения функции в точке вдоль выбранного направления.

Отметим:

Поскольку в точке можно выбрать бесконечно много направлений, то производных по направлению в точке , вообще говоря, бесконечно много.

Возникает вопрос, по какому направлению в точке функция меняется быстрее всего.

Определение:

Градиентом функции в точке называется n-мерный вектор, по направлению которого производная в точке максимальна.

Овал 297 Прямая со стрелкой 306 Прямая со стрелкой 319 Прямая со стрелкой 97

Прямая со стрелкой 96

М0

Прямая соединительная линия 98

= max, т.к =

M0

Теорем (связь между grad и производной по направлению)

Д ля любого направления l в точке производная по направлению ровна:

= f

M0 M0

( )

Теорема

Пусть в области D задана, декартова прямоугольная система координат.

П усть - дифференцируема в точке M0, тогда справедливо соотношение:

= ( , ,… , )

М0 x1 M0 x2 M0 xn M0

Теорема:

МПрямая соединительная линия 107 аксимальная из всех производных по направлению в точке М0 равна модулю градиента:

max =| |

M0 M0

Пример:

z=x1 x2 x32 +x2 x3

M0(2,1,-1) M1(3,5,0)

Н айти:

1)gradf 2) max 3) ,

М0 М0 М0

zx1=x2x32

zx2=x1x32+1

zx3=2x1x2 x3+1

zПрямая соединительная линия 123 x1 = 1

M0

zПрямая соединительная линия 126 x2 = 3

M0

zПрямая соединительная линия 127 x3 = -5

M0

= ( 1,3, -5)

M0

2) max =|1,3,-5|=

3) =

l =M1 –M0=(1,4,1)

= = (1,3,-5) = =

M0

По направлению l в точке М0 функция возрастает со скоростью ,при этом - эта скорость не является максимальной т.к. l- не совпадает с направлением градиента

§6

Поверхность уровня функции n-переменных.

Пусть функция n-переменных задана в некоторой области D n-мерного пространства. Пусть значение функции в точке М0=С. Поверхностью уровня называется такая поверхность в n-мерном пространстве, которая проходит через точку М0 ,и для которой значение функции в любой точке равно С.

z=f(M)=f1, х2,…, хn) в D Еn

fГруппа 173 (M0)=C , M0 D

f(M)=C M поверхности

D f(M)=С

М0 f(M1)=С

М f(M2)=С

М2 М1 и т.д.

Уравнение поверхности уровня:

f(M)=С

Пример:

z=x12 +x22 +x32

Уравнение поверхности уровня:

z=C  x12 +x22 +x32=C – сфера R=

z=х1 х2

УГруппа 354 равнение поверхности уровня:

х1 х2=C – гипербола

Отметим:

В двухмерном пространстве поверхность уровня становится обычной линией. Её называют «линией уровня»

Теорема:

Градиент в точке M0 перпендикулярен поверхности уровня, проходящей через эту точку.

Прямая со стрелкой 353

grad f

М0

Прямая соединительная линия 355 Прямая соединительная линия 356

Прямая со стрелкой 358 М0 f(M)= f(M0)=С

Пример:

z=x12 +x22 M0(1,2)

1)Найти поверхность уровня через точку M0.

2)Градиент в точке M0.

z(M0)=5=С

x12 +x22 =5 – линия уровня

f =(2,4)

Группа 372 М0

х2

2 М0

1 х1

§7