高数梯度(Gradient)相关知识总结

希腊字母发音对照表

小写字母 大写字母 发音
α Α Alpha
β Β Beta
λ Λ Gamma
δ Δ Delta
ε Ε Epsilon
ζ Ζ Zeta
ν Ν Nu
ξ Ξ Xi
ο Ο Omicron
π Π Pi
ρ Ρ Rho
σ Σ Sigma
η Η Eta
θ Θ Theta
ι Ι Iota
κ Κ Kappa
λ Λ Lambada
μ Μ Mu
τ Τ Tau
υ Θ Upsilon
φ Φ Phi
χ Χ Chi
ψ Ψ Psi
ω Ω Omega

向量

向量可以用它的方向来表示,也可以用它的坐标(也就是说坐标可以表示模和方向)来表示。为了应用上的方便,有必要找出这两种表示法之间的联系,就是说要找出向量的坐标与向量的模、方向之间的联系
数学中研究的向量与始点无关,为自由向量,所以模和方向相同,始点不同的两个向量相等

对于非零向量α=ΟΜ(上边带箭头)
由向量的定义可知:它的模为|ΟΜ|=sqrt(pow(x,2)+pow(y,2),pow(z,2))
它的方向,可以用它与三条坐标轴的夹角α(0<=a<=π),β(0<=β<=π),λ(0<=λ<=π)来表示,并称
α,β,λ为非零向量ΟΜ的方向角,而cos α,cos β,cos λ称为该向量的方向余弦。
由图可知:

image
image

其中

上述讨论表明:当已知非零向量OM的坐标

image
表示后,可按下列公式计算它的模与方向余弦
方向余弦

同时,若以知向量ΟΜ的模与方向余弦,也可以按下列公式计算其坐标:

坐标

把方向余弦公式的三个等式两边分别平方后相加,便得到

这就是说,任一向量的方向余弦的平方和等于1。

由上面讨论知,与非零向量ΟΜ 同方向的单位向量为

单位向量
单位向量

极限

函数极限标准定义

  • 设函数f(x),|x|大于某一正数时有定义,若存在常数A,对于任意ε>0,总存在正整数X,使得当x>X时,|f(x)-A|<ε成立,那么称A是函数f(x)在无穷大处的极限。

  • 设函数f(x)在x0处的某一去心邻域内有定义,若存在常数A,对于任意ε>0,总存在正数δ,使得当
    |x-x0|<δ时,|f(x)-A|<ε成立,那么称A是函数f(x)在x0处的极限。

去心邻域:即x!=x0,x=x0 处函数无定义,所以f(x0)=?不知道。

极限的几何定义

导数

斜率亦称“角系数”,表示一条直线相对于横坐标轴的倾斜程度.一条直线与某平面直角坐标系横坐标轴正半轴方向的夹角的α 正切值 (tan α) 即该直线相对于该坐标系的斜率。‘

导数也叫微商

  • 定义
    函数 y=f(x)在点x0的某个邻域内有定义,当自变量x在x0处有增量Δx,(x0+Δx)也在该邻域内时(这里强调也在邻域内,而极限定义强调不在邻域内),相应地函数取得增量Δy=f(x0+Δx)-f(x0);如果Δy与Δx之比当Δx→0时极限存在,则称函数y=f(x)在点x0处可导,并称这个极限为函数y=f(x)在点x0处的导数记作
    导数①
导数②
导数③
导数定义公式

需要指出的是:以下两者在数学上是等价的。

导数定义等价公式
  • 几何意义
    当P点趋近于P0时,直线T为曲线PP0在点P0处的切线,导数即为曲线PP0在该点切线的斜率 tan α
    导数的几何意义

偏导数

偏导数的定义如下:


偏导数定义

可以看到,导数与偏导数本质是一致的,都是当自变量的变化量趋于0时,函数值的变化量与自变量变化量比值的极限。直观地说,偏导数也就是函数在某一点上沿坐标轴正方向的的变化率。
区别在于:

  • 导数,指的是一元函数中,函数y=f(x)在某一点处沿x轴正方向的变化率

  • 偏导数,指的是多元函数中,函数y=f(x0,x1,xj…xn)在某一点处沿某一坐标轴(x0,x1,xj…xn)正方向的变化率

  • 编导数的几何意义
    偏导数为函数在每个位置处沿着自变量坐标轴方向上的导数(切线斜率)


    编导数的几何意义

微分

微分几何意义

图中符号的意义及关系如下:
 Δx:x的变化量;
 dx:x的变化量Δx趋于0时,则记作微元dx;
 Δy:Δy=f(x0+Δx)-f(x0),是函数的增量;
 dy:dy=f’(x0)dx,是切线的增量;(微商概念)
 当Δx→0时,dy与Δy都是无穷小,dy是Δy的主部,即Δy=dy+o(Δx) 【o(Δx) 为高阶无穷小】.

方向导数

对于多元函数,如果说偏导数表示的是多元函数在沿坐标轴的变化率,那么可以说方向导数是沿着任意一指定方向的变化率,不一定是沿着坐标轴。
方向导数也是对应于多元函数的,方向导数是一个标量值。(即为一个实数
这里给出方向导数的数学表达式:

定义

定理

其中向量e=(cos α,cosβ)为方向余弦
若方向e=(1,0) 也就是x轴方向,即为x的编导数
x轴方向

若方向e=(0,1)也就是y轴方向,即为y的偏导数
y轴方向

  • 几何意义


    方向导数的几何意义

梯度

梯度的定义如下:

定义

可以通过公式直观地看方向导数和梯度的关系:
方向导数和梯度的关系

θ为梯度与方向l的夹角
当 θ = 0 时,e 与梯度方向相同时,方向导数最大,函数增加最快
当 θ= π时,e 与梯度方向相反时,方向导数最小,函数减少最快
当 θ = π/2 时,e 与梯度方向垂直时,方向导数为0, 函数变化率为零

  • 梯度的几何意义
    https://mathinsight.org/applet/gradient_directional_derivative_mountain
    梯度的几何意义

    表明函数f(x,y)在一点(x0,y0)的梯度的方向就是
    等高线:将左边的曲面按z轴的某个平面切开后的平面为右边图示,同环曲线上的任一点的z值相同,所以叫等高线,也叫等值线
    等高线(等值线)f(x,y)=c 在这点的法线方向 n(带箭头),而梯度的模|grad f(x0,y0)|就是沿这个法线方向的方向导数。
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