形象理解“梯度”


梯度是微積分多元函數的一個重要概念,簡單來說,梯度是一個向量,當函數上的一點按照該向量移動,函數值增加最大,該向量由函數分別對自變量的偏導值所構成。如果函數是二元函數,則梯度是二維向量,在自變量構成的平面上,如果函數是三元函數,則梯度是三維向量,在自變量構成的空間中。本文着重對它的上述的意義,進行形象的闡述。

下面分別舉個例子:

(1)u(x,y)=x**2+y**2,在(-10,10)這一點,梯度向量為(-20,-20)。

其圖像如下圖:

 

B點就是(-10,-10,200),O是過該點作的水平面,由於該函數為二元函數,所以梯度向量為x,y組成的二維向量,所以該向量必定在O平面中,具體就是(-20,-20),圖中BC向量為與梯度方向相反的向量,是(20,20),沿着該方向走,即在曲面上BE走,就是該函數值減小最快的方向。

(2)u(x,y,z)=x**2+y**2+z**2

該函數為三元函數,實際上它是個體,可以想象成在原點吹氣球,氣球不斷膨脹所包含的體,該函數的梯度向量為x,y,z所組成的三維向量,設點(x0,y0,z0)為該體的某一點,該點沿着(2x0,2y0,2z0)的方向,函數值將增加的最快,而該向量正好也是該點所在的球面的法向向量(方向朝外),如果沿着跟該方向垂直的方向走,函數值將不變,因為它還在該點所在的球面上,上述的幾點也跟確實與我們的生活經驗吻合。

 


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