可微分时的方向导数

1 可微分时的方向导数
如果函数,那么函数在该点沿任意方向存在。设,则有:

因为函数,所以有:

在以点为起点、方向为的射线上时,有:

结合上,所以:

上述定理说的是:

如下图所示,其中转动的表示任意方向,对应的切向量表示沿方向存在。结合上之前的学习,容易理解这些切向量都在上。

任意方向上的切向量都存在,且在全微分上

上述定理中还给出了的计算方法。先来看两个特殊的,函数点沿方向、以及沿方向分别为:

这是因为,

  • 方向平行于轴,曲线在该方向上的变化率就是;或这样理解,方向对应的曲面上的曲线平行于轴,根据,其对应的切向量,如下图所示
  • 方向平行于轴,曲线在该方向上的变化率就是;或这样理解,方向对应的曲面上的曲线平行于轴,根据,其对应的切向量,如下图所示

方向上的切向量,以及方向上的切向量

根据上述定理中的条件可知,方向与方向的夹角为,与方向的夹角为。且这些方向上的切向量都在上,如下图所示。

的夹角分别为,其切向量在全微分上

这些切向量都在上,可以想象,这意味着从开始贴着切平面平滑地转动就可到达,途中会经过,如下图所示。

开始贴着切平面平滑地转动,会经过,最终到达

平滑地转动意味着,方向上的变化率会逐渐过度到方向上的变化率,而方向上的变化率介于两者之间,也就是在之间,所以就不难理解上述定理中的结论:

同样可证明,如果函数,那么函数在该点沿方向的方向导数为:

2 方向导数都存在不一定可微分

上述定理反过来不一定对,也就是说方向导数都存在但不一定,即:

比如下图中看上去像屋顶的函数,其中绕点转动的表示任意方向,对应的切向量表示沿方向存在。但这些切向量上下起伏,不在一个平面上,所以函数点不是的。

“屋顶”曲面各个方向上的导数都存在,但该曲面在点不可微

3 可微分时方向导数的例题
请求出函数点沿从点到点的方向的 函数如下:

因为上述偏导数,根据,所以函数,所以可利用本节学习的定理来求解。先求出方向以及

再计算出点的

所以,根据本节学习的定理有:

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