Математика для заочников и не только

Высшая математика – просто и доступно!

Если сайт упал, используйте ЗЕРКАЛО: mathprofi.net

Наш форум и библиотека: + подписка на новости проекта!

Высшая математика:

Математика для заочников
Математические формулы,
таблицы и справочные
материалы

Математические сайты
>>> Удобный калькулятор

Не нашлось нужной задачи?
Сборники готовых решений!

Не получается пример?
Задайте вопрос на форуме!
>>> mathprofi.com   

Учимся решать:

Лекции-уроки по высшей математике для первого курса

Высшая математика для чайников, или с чего начать?

Аналитическая геометрия:

Векторы для чайников
Скалярное произведение
векторов

Линейная (не) зависимость
векторов. Базис векторов

Переход к новому базису
Векторное и смешанное
произведение векторов

Формулы деления отрезка
в данном отношении

Прямая на плоскости
Простейшие задачи
с прямой на плоскости

Линейные неравенства
Как научиться решать задачи
по аналитической геометрии?

Линии второго порядка. Эллипс
Гипербола и парабола
Задачи с линиями 2-го порядка
Как привести уравнение л. 2 п.
к каноническому виду?

Полярные координаты
Как построить линию
в полярной системе координат?

Уравнение плоскости
Прямая в пространстве
Задачи с прямой в пространстве
Основные задачи
на прямую и плоскость

Треугольная пирамида

Элементы высшей алгебры:

Множества и действия над ними
Основы математической логики
Формулы и законы логики
Уравнения высшей математики
Комплексные числа
Выражения, уравнения и с-мы
с комплексными числами

Действия с матрицами
Как вычислить определитель?
Свойства определителя
и понижение его порядка

Как найти обратную матрицу?
Свойства матричных операций.
Матричные выражения

Матричные уравнения
Как решить систему линейных уравнений?
Правило Крамера. Матричный метод решения системы
Метод Гаусса для чайников
Несовместные системы
и системы с общим решением

Как найти ранг матрицы?
Однородные системы
линейных уравнений

Метод Гаусса-Жордана
Решение системы уравнений
в различных базисах

Линейные преобразования
Собственные значения
и собственные векторы

Пределы:

Пределы. Примеры решений
Замечательные пределы
Методы решения пределов
Бесконечно малые функции.
Эквивалентности

Правила Лопиталя
Сложные пределы
Пределы последовательностей
Пределы по Коши. Теория

Производные функций:

Как найти производную?
Производная сложной функции. Примеры решений
Логарифмическая производная
Производные неявной, параметрической функций
Простейшие задачи
с производной

Производные высших порядков
Что такое производная?
Производная по определению
Как найти уравнение нормали?
Приближенные вычисления
с помощью дифференциала

Метод касательных

Функции и графики:

Графики и свойства
элементарных функций

Как построить график функции
с помощью преобразований?

Непрерывность, точки разрыва
Область определения функции
Асимптоты графика функции
Интервалы знакопостоянства
Возрастание, убывание
и экстремумы функции

Выпуклость, вогнутость
и точки перегиба графика

Полное исследование функции
и построение графика

Наибольшее и наименьшее
значения функции на отрезке

Экстремальные задачи

ФНП:

Область определения функции
двух переменных. Линии уровня

Основные поверхности
Предел функции 2 переменных
Повторные пределы
Непрерывность функции 2п
Частные производные
Частные производные
функции трёх переменных

Производные сложных функций
нескольких переменных

Как проверить, удовлетворяет
ли функция уравнению?

Частные производные
неявно заданной функции

Производная по направлению
и градиент функции

Касательная плоскость и
нормаль к поверхности в точке

Экстремумы функций
двух и трёх переменных

Условные экстремумы
Наибольшее и наименьшее
значения функции в области

Метод наименьших квадратов

Интегралы:

Неопределенный интеграл.
Примеры решений

Метод замены переменной
в неопределенном интеграле

Интегрирование по частям
Интегралы от тригонометрических функций
Интегрирование дробей
Интегралы от дробно-рациональных функций
Интегрирование иррациональных функций
Сложные интегралы
Определенный интеграл
Как вычислить площадь
с помощью определенного интеграла?

Что такое интеграл?
Теория для чайников

Объем тела вращения
Несобственные интегралы
Эффективные методы решения
определенных и несобственных
интегралов

S в полярных координатах
S и V, если линия задана
в параметрическом виде

Длина дуги кривой
S поверхности вращения
Приближенные вычисления
определенных интегралов


Метод прямоугольников

  Карта сайта

Лекции-уроки по высшей математике для второго курса

Дифференциальные уравнения:

Дифференциальные уравнения первого порядка
Однородные ДУ 1-го порядка
ДУ, сводящиеся к однородным
Линейные неоднородные дифференциальные уравнения первого порядка
Дифференциальные уравнения в полных дифференциалах
Уравнение Бернулли
Дифференциальные уравнения
с понижением порядка

Однородные ДУ 2-го порядка
Неоднородные ДУ 2-го порядка
Линейные дифференциальные
уравнения высших порядков

Метод вариации
произвольных постоянных

Как решить систему
дифференциальных уравнений

Задачи с диффурами
Методы Эйлера и Рунге-Кутты

Числовые ряды:

Ряды для чайников
Как найти сумму ряда?
Признак Даламбера.
Признаки Коши

Знакочередующиеся ряды. Признак Лейбница
Ряды повышенной сложности

Функциональные ряды:

Степенные ряды
Разложение функций
в степенные ряды

Сумма степенного ряда
Равномерная сходимость
Другие функциональные ряды
Приближенные вычисления
с помощью рядов

Вычисление интеграла разложением функции в ряд
Как найти частное решение ДУ
приближённо с помощью ряда?

Вычисление пределов
Ряды Фурье. Примеры решений

Кратные интегралы:

Двойные интегралы
Как вычислить двойной
интеграл? Примеры решений

Двойные интегралы
в полярных координатах

Как найти центр тяжести
плоской фигуры?

Тройные интегралы
Как вычислить произвольный
тройной интеграл?


Криволинейные интегралы
Интеграл по замкнутому контуру
Формула Грина. Работа силы

Поверхностные интегралы

Элементы векторного анализа:

Основы теории поля
Поток векторного поля
Дивергенция векторного поля
Формула Гаусса-Остроградского

Циркуляция векторного поля
и формула Стокса

Комплексный анализ:

Примеры решений типовых
задач комплексного анализа

Как найти функцию
комплексной переменной?

Решение ДУ методом
операционного исчисления

Как решить систему ДУ
операционным методом?

Теория вероятностей:

Основы теории вероятностей
Задачи по комбинаторике
Задачи на классическое
определение вероятности

Геометрическая вероятность
Задачи на теоремы сложения
и умножения вероятностей

Зависимые события
Формула полной вероятности
и формулы Байеса

Независимые испытания
и формула Бернулли

Локальная и интегральная
теоремы Лапласа

Статистическая вероятность
Случайные величины.
Математическое ожидание

Дисперсия дискретной
случайной величины

Функция распределения
Геометрическое распределение
Биномиальное распределение
Распределение Пуассона
Гипергеометрическое
распределение вероятностей

Отблагодарить автора >>>

Если Вы заметили опечатку, пожалуйста, сообщите мне об этом

Заказать контрольную
Часто задаваемые вопросы
Гостевая книга

Кнопка для сайта: Высшая математика – просто и доступно!

Когда нет времени:

Авторские работы на заказ

По школьным предметам.
Подготовка к ЕГЭ

По высшей математике
и физике

Помогут разобраться в теме,
подготовиться к экзамену



  Карта сайта


Производная по направлению и градиент функции


Уже в начале первой статьи о дифференцировании функции двух переменных я коротко рассказал о смысле частных производных 1-го порядка и подвёл вас к теме сегодняшнего урока. Итак, что же такое производная по направлению? На самом деле с данным понятием вы знакомы ещё с 1-го семестра, поскольку производную  функции одной переменной смело можно назвать производной по направлению – ведь она характеризует скорость изменения функции  в направлении оси .

И эта суть с учётом бОльшего разнообразия направлений распространяется на производные функций нескольких переменных, в частности, на производные функции . Геометрически функция двух переменных чаще всего представляет собой поверхность, и значения «зет» у нас чётко ассоциируются с высотой. Таким образом, с позиций геометрии скорость изменения данной функции – есть скорость изменения высоты. При этом совершенно понятно, что «негоризонтальная»  поверхность изменчива – в каких-то направлениях она крутА, в каких-то полога, а где-то таки «равнина». И производная по направлению как раз призвана охарактеризовать «ландшафт местности» (скорость изменения функции) в различных точках по различным направлениям. В этой связи возникает первый вопрос:

а КАКИМ СПОСОБОМ вообще можно задать какое-то конкретное направление?

Вспомним забавную модель урока Предел функции двух переменных, в которой мы перемещаемся по комнате в плоскости  декартовой системы , а прямо над нами «зависло одеяло», заданное функцией . Давайте встанем в некоторую точку  области определения. В зависимости от выбора точки нам доступен бесконечно малый «шажок» в некоторых или, что вероятнее, во всех направлениях. Направление традиционно обозначается исходящим из точки  лучом , лежащим в плоскости . Сам луч можно определить с помощью угла (между ним и осью  либо ), а ещё лучше – с помощью вектора.  

Вопрос второй:

как узнать скорость изменения функции  в каком-либо направлении?

С помощью производной по направлению . Как вариант, в обозначении можно использовать букву «эф»: .

Если в точке  существует производная по направлению луча  (исходящего из точки  и лежащего в плоскости ), то её можно рассчитать по следующей формуле:

, где:

 – частные производные 1-го порядка в точке ;
  – направляющие косинусы (координаты вектора единичной длины), однозначно определяющие данное направление.

Примечание: Производная по направлению, конечно же, не обязана существовать во всех возможных направлениях (представьте, например, «край одеяла»). Со строгими условиями её существования можно ознакомиться в учебной литературе.

На практике популярна более компактная запись: .

 – это ЧИСЛО, характеризующее скорость изменения функции, причём:

– если , то функция  в точке  по данному направлению  возрастает  (поверхность «идёт в гору»);

– если , то функция  в точке  по данному направлению убывает («склон» поверхности);

– если , то функция  в точке  по данному направлению постоянна (поверхность параллельна плоскости ).

Геометрический смысл производной по направлению по существу напоминает геометрический смысл «обычной» производной. Представьте плоскость, проходящую через луч «эль» перпендикулярно плоскости . Данная плоскость «высекает» из поверхности  пространственную линию , которой, очевидно, принадлежит точка . Производная по направлению численно равна тангенсу угла   между касательной к линии  в точке  и плоскостью :

Примечание: также можно сказать, что  – это угол между касательной к линии  в точке  и её ортогональной проекцией на плоскость , т.е. направлением луча  (см. Пример 1, пункт «д» статьи Основные задачи на прямую и плоскость).

Более того, само обозначение  символизирует отношение приращения функции («высоты») к бесконечно малому «шажку» по направлению луча «эль». Таким образом, чем  больше по модулю, тем больше крутизна поверхности в данной точке по данному направлению. Крутизну можно выразить непосредственно через угол:

, после чего данная характеристика приобретает простой обывательский смысл («подъём в гору под углом 30 градусов» и т.п.). Впрочем, в геодезии приняты другие стандарты

Как видите, всё очень и очень напоминает производную функции одной переменной – с тем отличием, что направлений стало гораздо больше, и по одну руку может быть «скала», а по другую – «пропасть». Кстати, все ли понимают, почему мы делаем именно бесконечно малые «шаги» по различным направлениям? Дело в том, что существует поверхности, «рельеф» некоторых меняется невероятно быстро – на 1 квадратном сантиметре могут запросто умещаться миллионы «гор» и «ущелий», да и того больше. Поэтому для корректного описания «местности» и используются бесконечно малые величины   

После небольшого экскурса в теорию вернёмся к самой формуле , из которой выведем скорость изменения функции в двух хорошо знакомых направлениях.

Рассмотрим исходящий из точки  луч , параллельный оси  (либо совпавший с ней) и направленный в сторону её острия. Очевидно, что данный луч однозначно определяется единичным вектором . Таким образом,  (напоминаю, что координаты вектора единичной длины – это и есть соответствующие направляющие косинусы) и общая формула чудесным образом упрощается:

То есть, частная производная «по икс» в точке  характеризует скорость изменения функции  в направлении острия оси  (параллельно данной оси).

Самостоятельно проведите рассуждения для луча   и сделайте вывод о том, что .

Теоретическая часть урока начинает плавно перетекать в практику, и первые задачи будут посвящены «трёхмерным аналогам» примеров статьи о смысле производной:

Пример 1

Найти производную функции  в точке  по направлению вектора

А теперь давайте немного разомнёмся и немного походим по комнате. Предположим, что под нами плоскость . Да-да, всё верно – сейчас мы перемещаемся ПО САМОЙ поверхности. На уроке Предел функции двух переменных нам помогал один волшебный персонаж, но сегодня настал черёд самостоятельно исследовать поверхности – чтобы как следует прочувствовать тему =)

Что с высотой? Очевидно, что в каком бы направлении мы ни пошли – высота будет оставаться неизменной. Таким образом, сразу понятно, что в любой точке и по любому направлению скорость изменения функции равна нулю.

Однако, несмотря на известный ответ и всю простоту задачи, со всей ответственностью отнесёмся к её решению:

Вычислим скорость изменения функции  по направлению исходящего из точки  луча , который определяется вектором . Используем рабочую формулу:

Найдём частные производные 1-го порядка:

В результате получены две константы, а именно, два нуля. Что это значит? Это значит, что частные производные равны нулю В ЛЮБОЙ точке области определения функции  (вся плоскость ), в частности и в точке :

Примечание: формально частные производные можно расписать в виде  и выполнить подстановку координат точки :

Полученные результаты подтверждают тот факт, что откуда бы и по какому бы направлению мы ни передвигались – наша высота  будет сохраняться постоянной:

В принципе, здесь следует записать ответ, но ради отработки общего алгоритма решения найдём направляющие косинусы предложенного направления. По существу, требуется найти вектор  единичной длины, который сонаправлен с вектором . Задача нахождения такого вектора подробно рассмотрена в самом конце статьи Скалярное произведение векторов. Воспользуемся готовой формулой:

Легко проверить, что любой другой ненулевой сонаправленный вектор приводится к этому же «эталону». Протестируем, например, вектор :

К слову, не лишним будет убедиться, что его длина действительно равна единице:

Эквивалентный способ проверки основан на известном равенстве :

Собственно, финальный расчёт:

Ответ:

Можно использовать обозначение  либо , подчёркивая, что производная по направлению найдена именно в точке . Однако упущение невелико, поскольку это и так ясно из контекста решения.

Легко понять, что проведённые выкладки справедливы и для любой другой «горизонтальной» плоскости, то есть производная функции  в любой точке и по любому направлению равна нулю. Ну а сейчас самое время покинуть душные квартиры и выйти склон зелёного холма, где безмятежно пригревает майское солнышко. …Хотя кто знает, возможно, вы там и находитесь – ведь с развитием гаджетов люди стали получать знания в самых неожиданных местах =)

Но, так или иначе – добро пожаловать на природу:

Пример 2

Найти производную функции  в точке  по направлению:

1) координатных осей (параллельно им);
2) вектора ;
3) вектора ;
4) градиента.

Решение: итак, выберите произвольную точку «зелёного холма» и осмотритесь по сторонам. Теперь переместитесь с какую-нибудь другую точку плоскости   и снова оцените «местность»:
Производная по направлению характеризует крутизну поверхности в данном направлении

…кой-какие обозначения я не проставил из эстетических соображений, ну да ладно, не извращаться же со слоями в Фотошопе…

Что можно сказать о «ландшафте»? Во всех своих точках плоскость имеет постоянный наклон по всем направлениям, то есть, с точки зрения наклона – без разницы, где мы находимся. Проверим это аналитически:

Как и в предыдущем примере, производные-константы подразумевают тот факт, что в ЛЮБОЙ точке плоскости XOY, а значит и в точке  (которую я выбрал исключительно для удобства построения чертежа), эти значения сохраняются постоянными:

Таким образом:
 – и данный результат как раз убедительно подтверждает то, что скорость изменения функции  зависит только от направления.

1) Найдём производную по направлению луча , совпадающего с положительной полуосью . Тут даже с направляющими косинусами возиться не надо – как было установлено выше, производная по данному направлению равна частной производной по «икс» в точке :

Для лучшего понимания я изобразил «чёрную дорожку», по которой мы будем «подниматься вверх по склону» и, исходя из геометрического смысла производной, очень легко отыскать конкретное значение «чёрного» угла: .

И ещё раз подчёркиваю независимость выбора исходной точки – если мы выберем любую другую «начальную точку путешествия» и начнём двигаться в направлении вектора , то «угол подъёма» будет точно таким же.

Аналогичная история с положительным направлением  оси :

Отрицательный знак производной говорит об убывании функции  в направлении координатного вектора . Иными словами, тут нас ожидает «желтая дорожка» вниз по склону под «жёлтым» углом  градусов.

2) Вычислим производную по направлению луча . Для этого отработанным приёмом найдём единичный вектора , сонаправленный с вектором :
 – координаты которого и являются направляющими косинусами данного направления:

Да, не забываем о проверке:
,  ч.т.п.

По правилам хорошего тона запишем вычисления подробно:
 

И действительно, синяя «дорожка» проходит на неизменной высоте прямо в плоскости .

Аналогично – если мы «выйдем» из любой другой точки плоскости  по направлению того же вектора , то наша высота (скорость изменения функции) будет оставаться постоянной.

3) Найдём производную по направлению вектора :

Проверим результат с помощью равенства :

Вычислим производную по направлению луча , который «спрятался» под плоскостью :

Таким образом, подъём по «оранжевой дороге» осуществляется под углом

4) Градиент

Понятие градиента можно сформулировать по-разному. Начнём с локального определения, а именно, с градиента функции в отдельно взятой точке:

Градиентом функции  в точке  называется направленный отрезок , отложенный от точки , который показывает направление и скорость наискорейшего роста функции  в данной точке.

Если совсем просто, то куда «смотрит» градиент – там и самый крутой «подъём в гору»

Распространённые обозначения:  либо , причём здесь уже нельзя записывать просто  (точнее, эта запись приобретает  несколько другой смысл).

В нашем случае: .

И теперь заостряю внимание: градиент в точке – это вектор несвободный. По той причине, что характеризует поведение функции именно в данной точке, а не где-то ещё. Поэтому,  следует отложить от начала координат. Однако он тоже оказывается под плоскостью , и «красный» вектор на чертеже, которым я обозначил общее направление – это на самом деле градиент в другой точке:

Взаимосвязь производной по направлению с градиентом:

Производная по некоторому направлению  в точке  – это проекция градиента в данной точке на данное направление:
, откуда, согласно известным геометрическим выкладкам (см. ссылку выше), получается весьма полезная практическая формула:

, где:

 – длина градиента;
 – угол между градиентом и данным направлением.

В свою очередь из этой формулы следует, что производная по направлению достигает максимального значения при , то есть когда  – направление  совпадает с направлением градиента.

В нашей задаче производная по направлению градиента:
 и максимальный «красный» угол подъёма:

Заметьте, что полученный результат – это отличное средство дополнительного контроля решения: если по другому направлению получился бОльший угол, то нужно искать ошибку.

Как всегда, в лучших своих традициях я аккуратно встроил теоретический материал в развёрнутое практическое задание, и после увлекательной прогулки настало время подвести итог:

Ответ:

Если что-то осталось недопонятым, то, вероятнее всего, у вас пробелы в теории производной функции одной переменной и/или основах аналитической геометрии. Особенно много сегодня требуется  геометрических знаний. Спокойствие и только спокойствие – всё можно наверстать буквально в ближайший час, после чего вернуться на эту страницу и перечитать начало статьи ещё раз.

Ну а мы продолжаем рассматривать тематические задачи, и оставшиеся примеры будут значительно короче. Но расслабляться ни в коем случае не следует, поскольку впереди ещё немало нового и интересного материала:

Пример 3

Дана функция , точка  и вектор . Требуется найти:
а) производную функции  в точке  по направлению вектора ;
б) градиент функции в данной точке.

Классика жанра – найти производную по какому-нибудь направлению и градиент.

Закрепляем алгоритм решения:

а) Обозначим через  исходящий из точки  по направлению вектора  луч и воспользуемся стандартной формулой:

Найдём частные производные 1-го порядка:

Тут не помешает «прозвонить» равенство , благо, смешанные производные 2-го порядка отыскиваются с пол тычка.

А вот сейчас наступает действительно ответственный момент – это «реальное» вычисление частных производных 1-го порядка в точке . Всегда проявляйте ПОВЫШЕНОЕ ВНИМАНИЕ на данном этапе:

Полезный приём: несмотря на кажущееся отсутствие хорошей проверки, я всё-таки придумал небольшое ноу-хау, которое с высокой эффективностью позволяет избегать вычислительных ошибок. Ухищрение состоит в следующем: когда вам предложена задача с неприятными и плохо проверяемыми вычислениями, то сначала СОСРЕДОТОЧЕННО прорешайте её на черновике и отложите листок в сторону. Далее переключаемся на другие дела, после чего черновое решение благополучно забывается. Спустя некоторое время (пол часа - час, а ещё лучше – день) так же ВНИМАТЕЛЬНО оформляем чистовое решение и сверяемся с черновиком. Почти 100% – ошибка «не пройдёт».

На очереди нахождение единичного вектора, сонаправленного с вектором :

Контроль: , в чём и требовалось убедиться.

На завершающем этапе тоже проявляем внимание, правда, здесь уже гораздо меньше шансов что-то «прозевать»:

И конечно, не забываем о геометрическом смысле результата: отрицательный знак производной сообщает нам об убывании функции в данном направлении, т.е. при бесконечно малом «шажке» из точки  по направлению луча «эль» крутизна «склона» поверхности  составит .

Особо подчёркиваю, что в отличие от Примеров №№1,2 оговорка о «бесконечно малом  шажке» становится необходима, ибо многие поверхности – это «не плоскости плоские», а «волны волнистые», и в соседней, пусть даже очень близкой точке производная по тому же направлению в общем случае будет другой.

Кстати, в условии запросто может спрашиваться НЕ о производной по направлению, а о крутизне поверхности – и в этом случае расчёт угла станет обязательным завершающим шагом решения.

2) Второй пункт совсем прост:

Однако и тут снова следует проявить аккуратность – условие задачи вполне может запрашивать НЕ градиент, а «наибольшую скорость роста функции в точке ». Тогда находим производную по направлению градиента:
, которая и является мерилом этой скорости.

А если же требуется найти «наибольшую крутизну поверхности  в точке », то в ответе указываем НЕ градиент и НЕ его длину, а угол .

Завершая этот содержательный разбор полётов, расскажу о более широком понятии градиента. В более широком смысле под градиентом понимают векторную функцию , которая каждой точке  области определения функции  (где существует градиент) ставит в соответствие вектор, показывающий направление максимального роста функции  в данной точке.

Так, например, в нашем случае можно составить векторную функцию  и для десятка-другого точек построить целую «карту» направленных отрезков, которая безо всякого трёхмерного чертежа достаточно хорошо охарактеризует «поведение» поверхности  в интересующих нас направлениях.

Отсюда становится окончательно понятно, почему градиент в точке – это несвободный вектор, отложенный именно от конкретной точки.

Молодцы, что осилили =) ...теперь и теория поля будет нипочём!

Ответ:

Пара типовиков для самостоятельного решения:

Пример 4

Найти производную функции  в точке  по направлению вектора  и максимальную крутизну поверхности в данной точке.

Слишком просто? В простых задачах и ошибаются! …ну что же, сами виноваты – задачка позанятнее:)))

Пример 5

Найти производную функции  в точке  в направлении, составляющем угол  с градиентом функции  в этой точке.

Если возникли затруднения, пожалуйста, вернитесь к вышеизложенному материалу. Примерный образец чистового оформления решений в конце урока.

На практике довольно часто встречаются задания, в которых направление задаётся другими способами:

Пример 6

Найти производную функции  в точке :
а) в направлении, составляющем угол  с положительным направлением оси ;
б) в направлении биссектрисы 2-го координатного угла.

То есть, направления заданы через углы. Учимся с ними разбираться:

Решение: частные производные в точке  понадобятся в обоих пунктах и поэтому в первую очередь их и найдём:

Ну а что тут такого? Числа как числа.

а) Обозначим через   луч, исходящий из точки  и образующий угол  с положительным направлением оси . Очевидно, что данный луч лежит в 1-й координатной четверти (правой верхней) и образует угол в  с осью . Картина очень простая, но если таки мутноватая, выполните чертёж.

Формула производной по направлению, естественно, та же:

И главный вопрос – как найти направляющие косинусы? Я предлагаю следующую цепочку рассуждений, которая мне показалась наиболее простой:

Пусть направляющий вектор  луча  отложен от начала координат. Совершенно понятно, что этот вектор тоже наклонен к оси  под углом 30 градусов.

 Угол  – это угол между вектором  и положительной полуосью . То есть, угол  сразу «готов к употреблению» – даже обозначения совпали (в условии вполне могла быть и другая буква, например, ).

Угол  – это угол между вектором  и положительной полуосью . С «бетой» никаких проблем: поскольку угол между координатными осями составляет 90 градусов, то  или .

Вычислим направляющие косинусы:

Впрочем, чего тут вычислять – эти значения вкладывались в наши головы долгие школьные годы. Но на всякий случай ссылка на тригонометрическую таблицу.

Контроль:
Дотошные естествоиспытатели могут изобразить на чертеже вектор  и воочию убедиться, что он направлен туда, куда надо.

Искомая производная по направлению:

…это ещё божий одуванчик, бывает гораздо хуже.

б) Вычислим производную в направлении биссектрисы 2-го координатного угла. Напоминаю, что координатные четверти нумеруются против часовой стрелки, и очевидно, речь идёт о биссектрисе, которая делит пополам левую верхнюю четверть.

Мало-мальски подготовленные люди легко подберут направляющий вектор этого направления, напрашивается вектор , и сразу найдут направляющие косинусы:

Такой вариант решения вполне приемлем, однако «подарочный» угол, кратный 45 градусам, встречается далеко не каждый день, и поэтому мы отработаем универсальную схему решения. Пусть вектор , задающий биссектрису 2-го координатного угла, отложен от начала координат (как вы уже поняли, именно в таком положении проще всего высмотреть нужные углы):
 (угол между вектором  и положительной (!) полуосью );
 (угол между вектором  и положительной полуосью ).
Таким образом:

Обозначим буквой  луч, который исходит из точки  в направлении биссектрисы 2-го координатного угла. Вычислим производную по данному направлению:

Ответ:

На практике так подробно, конечно, расписывать не нужно и решение следующей задачи поможет вам понять ориентировочный минимум комментариев:

Пример 7

Найти производную функции  в точке :
а) в направлении, составляющем угол  с положительным направлением оси ;
б) в направлении биссектрисы 4-го координатного угла.

И в заключение этого параграфа хочу отметить, что помимо геометрии, рассматриваемый математический инструментарий широко применяется в различных физических задачах – примеров настолько много, что от физики могут взвыть даже некоторые физики =)
В этой связи я сохраню мудрое молчание, …впрочем, ненадолго =)


Производная по направлению и градиент функции трёх переменных

Грубо говоря, добавляется одно измерение и одно слагаемое. Рассмотрим функцию трёх переменных  и точку , принадлежащую её области определения.

Если в точке  существует производная по направлению пространственного луча  (исходящего из точки ), то её можно рассчитать по следующей формуле:

,  где:

 – частные производные функции трёх переменных в точке ;
  – направляющие косинусы данного направления (они же соответствующие координаты направляющего вектора единичной длины).

Градиентом функции  в точке  называется направленный отрезок , отложенный от точки , который указывает направление наибыстрейшего возрастания данной функции в данной точке.

И обещанный физический пример: рассмотрим функцию трёх переменных , которая характеризует температуру некоего пространственного тела в каждой его точке . Тогда производная  по тому или иному направлению  в некоторой точке  тела будет показывать скорость нагревания/охлаждения тела в соответствующих направлениях, а вектор  – указывать направление наибыстрейшего роста температуры в этой точке.

Вот такой вот удачный и понятный пример – не какие-нибудь плохо представляемые электрические поля.

Закрепим формулы несколькими задачами:

Пример 8

Найти производную функции  в точке  по направлению вектора

Не тушуемся, это пространственный вектор:

Алгоритм решения остаётся прежним. Вычислим частные производные 1-го порядка в точке . Вот уж где точно нужен глаз да глаз:

Найдем направляющие косинусы данного направления:

Контроль:

И завершающий шаг:

Ответ:

Пара символических заданий для самостоятельного решения:

Пример 9

Найти производную функции  в точке  по направлению, составляющему с положительными координатными полуосями равные углы.

Пример 10

Найти направление и величину наибыстрейшего возрастания функции  в точке .

Особых комментариев я не оставлял, поскольку всё очень похоже на примеры 1-й части урока.

Аналогичным образом производная по направлению и градиент определяются и для функций бОльшего количества переменных.

Всех поздравляю! –  сегодня мы не только познакомились с новым материалом, но и обобщили понятие производной, после чего забудем о ней, как о кошмарном сне можно смело приступать к изучению интегралов, разновидностей коих – великое множество...
…чувствую-чувствую, что взгрустнулось – вот и решил приободрить =)

Желаю вам выбора удачных направлений, которые, кстати, далеко не во всех точках жизни направлены по градиенту.

Спасибо за внимание и до скорых встреч!

Решения и ответы:

Пример 4: Решение: вычислим частные производные 1-го порядка в точке :

Найдём направляющие косинусы:

Искомая производная по направлению:

Найдём градиент функции в точке  и вычислим его длину:

Таким образом, максимальная крутизна поверхности в точке :

Ответ:

Пример 5: Решение: вычислим частные производные 1-го порядка в точке :

Составим градиент функции в точке  и вычислим его длину:

Искомая производная по направлению:

Ответ:

Пример 7: Решение: вычислим частные производные 1-го порядка в точке :

а) Вычислим производную по направлению , составляющему угол  с положительным направлением оси . Рассмотрим единичный  вектор , определяющий это направление. Очевидно, что . Таким образом:

Искомая производная по направлению:

б) Рассмотрим единичный  вектор , определяющий направление биссектрисы 4-го координатного угла. Очевидно, что его углы с положительными полуосями  и  соответственно равны  (можно взять  – ориентация угла не имеет значения) и . Таким образом:

В результате производная по данному направлению:

Ответ:

Пример 9: Решение: вычислим частные производные 1-го порядка в точке :

Найдём направляющие косинусы предложенного направления. Используем равенство:

Так как , то:

И поскольку луч  расположен в 1-м октанте:

Искомая производная по направлению:

Ответ:

Пример 10: Решение: вычислим частные производные 1-го порядка в точке :

Направление наибыстрейшего роста функции в точке  задаёт вектор градиента в данной точке:

Вычислим величину наибыстрейшего роста функции:

Ответ:

Автор: Емелин Александр


Высшая математика для заочников и не только >>>

(Переход на главную страницу)

Как можно отблагодарить автора?

Качественные работы без плагиата – Zaochnik.com


© Copyright mathprofi.ru, Александр Емелин, 2010-2017. Копирование материалов сайта запрещено