Определение. Градиентом функции (скалярного поля) называется вектор с координатами . Обозначается .
Теорема 3.1.3 Имеет место равенство , т.е. производная по направлению
равна скалярному произведению векторов градиента и орта направления
.
Следствие. Вектор в каждой точке направлен по нормали к линии уровня, проходящей через данную точку возрастания функции. При этом
![]() | (15) |
Теорема 3.1.4. Скорость изменения функции по некоторому направлению
равна проекции вектора градиента на это направление, т.е.
.
Пример 3.1.1. Найти производную функции в точке
в направлении, составляющем с осью
угол
. Определить направление максимального роста функции в данной точке.
Имеем ,
,
,
. Следовательно, если через
обозначим данное направление, то согласно (13), получим
.
![]() | Градиент функции поля в данной точке имеет вид ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() |
Максимальное значение производной (см. формулу (15) в точке равно по модулю
.
Пример 3.1.2. Найти производную в точке
по направлению к точке
.
Имеем ,
с направляющими косинусами вектора
:
,
.Тогда
– орт направления
. Далее, имеем
,
,
,
, а значит,
. Отрицательность
означает, что функция в этом направлении убывает.
Упражнения к §3.1.
1) Построить линию уровня функции , проходящую через точку
. Построить градиент
и убедится, что он перпендикулярен построенной линии уровня.
2) Для функции построить линии уровня и градиент. Сравнить их направления в точках
и
.
3) Найти наибольший рост (наибольшую крутизну) поверхности в точке
.
4) Найти производную функции в направлении, параллельном биссектрисе координатного угла.
§3.2 Касательная плоскость и нормаль к поверхности.
Касательная и нормаль к поверхности
Пусть фиксированная точка на поверхности
, заданной функцией
или уравнением
.
Определение. Касательной плоскостью к в точке называется плоскость , в которой расположены касательные к всевозможным кривым, проведенным на через . Нормалью называется прямая , проходящая через перпендикулярно .
Из определения следует, что нормальный вектор касательной плоскости
и направляющий вектор прямой
совпадают.
Уравнения имеют вид:
a) Если задана явно функцией
, то:
![]() ![]() | (16) |
b) Если задана уравнением
, то:
![]() ![]() | (17) |
Пример 3.2.1. Составить уравнения касательной и нормали в точке к кривой , заданный неявно уравнением .
Положим . Тогда
. Далее имеем
,
,
,
. Условие
обеспечивает существование однозначной неявной функции
в окрестности точки
. Уравнение касательной
имеет вид
, где
, т.е.
. Уравнение нормали имеет вид
, т.е.
(формулы (16)).