Нехай точка лежить на промені
; відстань позначимо через
.
Проекції вектора
на вісі координат будуть рівні
, але з іншогобоку ці проекції є різниці координат: кінцевої і
початкової
. Отже,
.
А звідси
. Розглянемо приріст функції функції
при переході від точки
до точки
:
.
Зрозуміло, що коли точка буде
змінювати своє положення на промені
, то
в виразі для різниці
буде
зміннюватися тільки величина
. Щоб визначити похідну
вздовж променя
треба знайти границю відношення
. А тому для похідної за напрямком маємо
таке
Означення.
Похідною від функції у
напрямку
в точціР називається границя (якщо вона існує)
=
=. (11.2)
Цю границю будемо позначати символом чи
. Величина її залежить від обраної точки Р(х,у,z ) і від напрямку променя
, тобто від
.
Якщо точка Р фіксована, то величина похідної буде залежати тільки від
напрямку променя. З визначення похідноїза напрямком випливає, що якщо напрямок
збігається з додатним
напрямком осі Ох, тобто
. Границя (11.2) буде просто дорівнювати частинній
похідній від функції
по х:
Аналогічну картину ми одержимо, якщо напрямок буде
збігатися з напрямками осей Оу й Оz.
Подібно тому
як частинні похідні характеризують
швидкість зміни функції у напрямках осей координат, так
і похідна по напрямку
буде швидкістю зміни функції
у точці Р по напрямку променя
.
Абсолютна
величина похідної у напрямку
визначає
величину швидкості, а знак похідної характер зміни функції
( зростання чи спадання).
Для практичного обчислення похідної по напрямку користуються наступною теоремою.
Теорема.
Якщо функція диференційовна,
то її похідна
по будь-якому напрямку
існує і дорівнює
(11.3)
де напрямні
косинуси променя
,
або координати одиничного вектора напрямку променя
.
Доведення. Так, як функція диференційовна, то її повний приріст можна записати у вигляді:
, де
. Як це добре видно з рис 11.1, (
–прилеглі катети)
,
а тому різницю
представимо
у вигляді
.
Знайдемо границю відношення . Очевидно ця границя
дорівнює
так, як значення частинних похідних
в точці Р, а
також
від
не
залежать, то, переходячи до границі при
одержимо
що і потрібно було довести.
11.2. Градієнт
Розглянемо знову формулу для похідної по напрямку . Вище було зазначено, що
-
це координати одиничного вектора
, а тому добуток
можна розглядати
як скалярний добуток одиничного вектора
на інший вектор з координатами
. Цей вектор і назвали градієнтом, а
позначили через
або
.
Означення. Градієнтом
функції називається вектор, проекціями якого
служать значення частинних похідних цієї
функції, тобто
(11.4)
Підкреслимо, що проекції градієнта залежать від вибору точки Р (х,
у,z) і змінюються зі зміною координат цієї точки. Таким чином,
кожній точці скалярного поля, визначеного
функцією поля відповідає
визначений вектор – градієнт цієї функції. Відзначимо, що
градієнт лінійної функції
є постійний вектор:
. Повертаючись до початку
цього пункту, ми бачимо, що
(11.5)
Таким чином. Похідна функції по даному напрямку дорівнює скалярному добутку градієнта функції на одиничний вектор цього напрямку.
З перетворення , ми бачимо що похідна функції по
даному напрямку дорівнює проекції градієнта функції на напрямок
диференціювання, де
-кут між вектором
і променем
.
Звідси
відразу випливає, що похідна по напрямку досягає найбільшого значення, коли , тобто при
. Це
найбільше значення дорівнює
.
Отже, є найбільше можливе значення похідної
у даній
точці Р, а напрямок
збігається з напрямком променя, що виходить із точки Р, уздовж
якого функція міняється швидше всього, тобто напрямок градієнта є напрямок
найшвидшого зростання функції. Ясно, що в протилежному напрямку функція
буде швидше всього спадати.
Доведемо тепер теорему, що встановлює зв'язок між напрямком градієнта функції і поверхнями рівня скалярного поля.
Теорема.
Градієнт функції у кожній точці
спрямований по нормалі до поверхні рівня скалярного поля,
що проходить через цю точку.
Доведення. Виберемо довільну точку Рівняння
поверхні рівня, що проходить через точку
запишеться
у вигляді
. Складемо рівняння нормалі до цієї поверхні в точці
:
.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.