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21.2.121.2.1 方向导数

华东师范大学数学系高等教育出版社《数学分析》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)
例题 21.2.121.2.1

求 u = x + y + z 在沿 x² + y² + z² = 1 上点的外法向的方向导数,并问在球面上何点该方向导数取:(1) 最大值;(2) 最小值;(3) 等于 0。

解

球面 x² + y² + z² = 1 上点的外法向方向为 (x,y,z) ,函数 u = x + y + z 沿 (x,y,z) 方向的方向导数为

frac ∂ u∂ l = ∇ u · (x, y, z) = | ∇ u | cos θ = sqrt 3 cos θ ,

其中 θ 是向量 ∇ u = (1,1,1) 与 (x,y,z) 之间的夹角。于是当 x = y = z > 0 时,方向导数取最大值 √(3) ,此时 x = y = z = (√(3))/(3) ;当 x = y = z < 0 时,方向导数取最小值 -√(3), 此时 x = y = z = -(√(3))/(3); 当 x + y + z = 0 时,方向导数为 0。 □

例题 21.2.221.2.2

若 R² 上的可微函数 f(x,y) 满足

x f _ x (x, y) + y f _ y (x, y) = 0, (21.3)

则 f(x,y) 恒为常数。

证明

证1 设 x = rcos θ, y = rsin θ, 取 l = (cos θ ,sin θ) ,由 (21.3) 得

frac ∂ f∂ l = cos θ f _ x (r cos θ , r sin θ) + sin θ f _ y (r cos θ , r sin θ) = 0.

于是在任一从原点出发的射线上的方向导数 (∂ f)/(∂ l) = 0 ,因此 f(x,y) 在该射线上为常数,即

f (x, y) ≡ f (0, 0).
证明

证2 令 x = rcos θ, y = rsin θ, 由 (21.3) 得

frac ∂ f∂ r = f _ x cos θ + f _ y sin θ = 0,

即 f(rcos θ ,rsin θ) 与 r 无关。对任意固定的 θ ,令 r→ 0⁺ ,得

f (x, y) = lim _ r arrow 0 ^ + f (r cos θ , r sin θ) = f (0, 0).
证明

证3 由 (21.3) 知

x f _ x (x, y) + y f _ y (x, y) = 0 = 0 · f (x, y),

由齐次函数的充分必要条件 (命题 19.3.1) 知 f 为零次齐次函数,于是 ∀ t ∈ R ,

f (t x, t y) = t ^ 0 f (x, y) = f (x, y),

于其中令 t→ 0 ,得

f (x, y) = f (0, 0).
证明

证4 对任意固定的 (x,y)∈ R² ,定义一元函数

φ (t) = f (t x, t y), t ≥slant 0.

则

φ^ prime (t) = x f _ 1 (t x, t y) + y f _ 2 (t x, t y).

于是当 t > 0 时,由 (21.3) 得

φ^ prime (t) = frac 1t [ t x f _ 1 (t x, t y) + t y f _ 2 (t x, t y) ] = 0,

所以 φ(t) 为常数。 取 t = 1,则 φ(t) ≡ φ(1) 。 即

f (t x, t y) = f (x, y).

令 t→ 0 ,得

f (x, y) = f (0, 0).

为方便起见,我们在 R³ 中考虑.设 D 是 R³ 中的一个区域,f 是定义在 D 上的函数,点 ±bp₀ ∈ D , l 是 R³ 中的一个单位向量.如果极限

lim _ t arrow 0 ^ + frac f (boldsymbol p _ 0 + t boldsymbol l) - f (boldsymbol p _ 0)t

存在,则称此极限是函数 f 在点 ±bp₀ 处沿方向 ±bl 的方向导数,记为 (∂ f)/(∂ l) (±bp₀) 。 它表示函数 f 在点 ±bp₀ 沿方向 ±bl 的变化率.特别地,若 f 在 ±bp₀ 处存在关于 x 的偏导数,则当 ±bl = (1,0,0) 时,(∂ f)/(∂ l) (±bp₀) = (∂ f)/(∂ x) (±bp₀) ; 当 ±bl = (-1,0,0) 时,(∂ f)/(∂ l) (±bp₀) = -(∂ f)/(∂ x) (±bp₀) 。

命题 21.2.121.2.1

设函数 f 在点 p₀ 可微,则 f 在点 p₀ 沿任何方向 l 的方向导数存在,且

frac ∂ f∂ l (boldsymbol p _ 0) = frac ∂ f∂ x (boldsymbol p _ 0) cos α + frac ∂ f∂ y (boldsymbol p _ 0) cos β + frac ∂ f∂ z (boldsymbol p _ 0) cos γ , (21.1)

其中 cosα,cosβ,cosγ 是方向 l 的方向余弦.

设函数 f 定义于某个区域 D ⊂ R³ 上,又设 f 具有关于各个变元的偏导数,称向量

frac ∂ f∂ x (x, y, z) boldsymbol i + frac ∂ f∂ y (x, y, z) boldsymbol j + frac ∂ f∂ z (x, y, z) boldsymbol k

是 f 在点 (x, y, z) 的梯度,记为 operatornamegrad f(x, y, z) 或 ∇ f(x, y, z) 。

由梯度的定义,(21.1) 的方向导数公式可以写为

frac ∂ f∂ l (x, y, z) = ∇ f (x, y, z) · boldsymbol l = | ∇ f (x, y, z) | cos θ , (21.2)

其中 θ 是向量 ∇ f(x,y,z) 与 l 之间的夹角.由 (21.2) 可以看出在一个固定点 (x,y,z),f(x,y,z) 沿任意方向的方向导数中以沿 ∇ f 的方向导数为最大.其值为 |∇ f(x,y,z)| 。从而梯度的方向就是函数在该点增加最快的方向.

  1. 求函数 u = x² + y² + z² 在沿椭球面 fracx²a² + fracy²b² + fracz²c² = 1 上点 (x, y, z) 处的外法线方向的方向导数.

  2. 设 (∂ u)/(∂ n) 和 (∂ v)/(∂ n) 为函数 u 和 v 在沿曲面 F(x,y,z)=0 上的点 (x,y,z) 的法线方向 n 的方向导数,证明:

frac ∂∂ boldsymbol n (u v) = u frac ∂ v∂ boldsymbol n + v frac ∂ u∂ boldsymbol n.
  1. 设 f(t) , u = u(x, y, z) 为可微函数,证明: ∇ f(u) = f'(u) ∇ u .

  2. 设 f(x,y) 在点 p₀(x₀,y₀) 处可微,l₁,l₂,…,lₙ 为 n 个单位向量,相邻的两向量夹角为 (2π)/(n) 。 证明:

∑_ i = 1 ^ n frac ∂ f∂ l _ i (x _ 0, y _ 0) = 0.
  1. 设 u = fracx²a² + fracy²b² - fracz²c² ,其中 a > b > c > 0。求在点 (0, 0, 0) 处函数 u 增加最快的方向。

  2. 设

f (x, y) = { l l x - y + frac x y ^ 2x ^ 2 + y ^ 2, & (x, y) ≠ (0, 0), 0, & (x, y) = (0, 0). .

证明: f(x,y) 在原点处连续,沿任何方向的方向导数存在,但不可微.

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