方嚮導數

方嚮導數

在函式定義域的內點,對某一方向求導得到的導數。一般為二元函式和三元函式的方嚮導數,方嚮導數可分為沿直線方向和沿曲線方向的方嚮導數。

基本信息

定義

方嚮導數 方嚮導數
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設函式z=f(x,y) 在點P(x,y)的某一鄰域U(P)內有定義,自點P引射線 ,自x軸的正向到射線 的轉角為 , 為 上的另一點,若 存在,則稱此極限值為 在點P沿方向 的方嚮導數,記作 .其計算公式為

方嚮導數 方嚮導數
方嚮導數 方嚮導數

三元函式u=f(x,y,z)在點P(x,y,z)沿著方向 (方向角為 )的方嚮導數的定義為

方嚮導數 方嚮導數
方嚮導數 方嚮導數
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其中 且 為 上的點,其計算公式為 .

沿直線方向

方嚮導數 方嚮導數
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設 為數量場u=u(M) 中的一點,從點 出發引一

方嚮導數 方嚮導數
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條射線 (其方向用 表示),在 上點 的鄰近取一動點 ,記 ,如圖所示,若當 時,分式 的極限存在,則稱它為函式 在點 處沿 方向的方嚮導數,記作 ,即

方嚮導數 方嚮導數
沿直線的方嚮導數 沿直線的方嚮導數
方嚮導數 方嚮導數
方嚮導數 方嚮導數
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方嚮導數 是在點M 處函式u(M) 沿方向 的對距離的變化率.故(1)當 時,函式u 沿 方向就是增加的;(2)當 時,函式u 沿 方向就是減少的.

在直角坐標系中,方嚮導數由下面定理給出計算公式。

方嚮導數 方嚮導數
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1.若函式 在點 處可微, 為 方向的方向餘弦,則函式u 在點 處沿 方向的方嚮導數必存在,且滿足

方嚮導數 方嚮導數
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證,設動點 的坐標為

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2.若在有向曲線C上取一定點 作為計算弧長s的起點,若以C的正向作為s增大的方向;M為C上的一點,在點M處沿C的正向作一與C相切的射線 (其方向用 表示),則當函式u可微、曲線C光滑時,u在點M處沿 方向的方嚮導數就等於u對s的全導數,即

方嚮導數 方嚮導數
方嚮導數 方嚮導數

證,曲線C是光滑的,其參數方程為x=x(s),y=y(s),z=z(s),函式u=u[x(s),y(s),z(s)],

沿曲線方向

方嚮導數 方嚮導數
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方嚮導數 方嚮導數
方嚮導數 方嚮導數

如圖所示,設 為數量場u=u(M)中曲線C上的一點,在點 的鄰近取一動點M,記 ,若當 時,分式

沿曲線方向的方嚮導數 沿曲線方向的方嚮導數
方嚮導數 方嚮導數
方嚮導數 方嚮導數

的極限存在,則稱它為函式u(M)在點 處沿曲線(正向)方向的方嚮導數,記作

方嚮導數 方嚮導數
方嚮導數 方嚮導數

當曲線C光滑時,在點M處函式u可微,函式u沿C方向的方嚮導數就等於u對s的全導數,則有

方嚮導數 方嚮導數
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證 因為當曲線C光滑時,在點M處函式u可微,故全導數 存在.

方嚮導數 方嚮導數
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,當 存在時,有 。

方嚮導數 方嚮導數

推論 若曲線C 光滑時,在點M處函式u可微,函式u在點M處沿C方向的方嚮導數就等於函式u在點M處沿C的切線方向 (C正向一側)的方嚮導數,即

方嚮導數 方嚮導數

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