Чему равна величина градиента функции. Градиент функции

Некоторые понятия и термины используются сугубо в узких рамках Другие же определения встречаются в областях, резко противоположных. Так, например, понятием "градиент" пользуется и физик, и математик, и специалист по маникюру или "Фотошопу". Что же такое градиент как понятие? Давайте разбираться.

Что говорят словари?

Что такое "градиент" специальные тематические словари трактуют в соотношении со своей спецификой. В переводе с латинского языка это слово обозначает - "тот, который идет, растет". А "Википедия" определяет это понятие как "вектор, указывающий направление возрастания величины". В толковых словарях мы видим значение этого слова как "изменение любой величины на одно значение". Понятие может нести как количественное, так и качественное значение.

Если коротко, то это плавный постепенный переход любой величины на одно значение, прогрессивное и непрерывное изменение в количестве или направлении. Вектор вычисляют математики, метеорологи. Это понятие применяют в астрономии, медицине, искусстве, компьютерной графике. Под схожим термином определяются совершенно не схожие виды деятельности.

Математические функции

Что такое градиент функции в математике? Это которого указывает направление роста функции в скалярном поле от одного значения к другому. Величина градиента рассчитывается с помощью определения частных производных. Для выяснения максимально быстрого направления роста функции на графике выбираются две точки. Они определяют начало и конец вектора. Скорость роста значения от одной точки к другой - это величина градиента. Математические функции, основанные на расчетах этого показателя, используются в векторной компьютерной графике, объектами которой являются графические изображения математических объектов.

Что такое градиент в физике?

Понятие градиента распространено во многих отраслях физики: градиент оптики, температуры, скорости, давления и т. д. В этой отрасли понятие обозначает меру возрастания или убывание величины на единицу. Вычисляется расчетами как разница между двумя показателями. Рассмотрим некоторые из величин подробнее.

Что такое градиент потенциала? В работе с электростатическим полем определяются две характеристики: напряженность (силовая) и потенциал (энергетическая). Эти разные величины связаны со средой. И хотя они и определяют разные характеристики, все же имеют связь между собой.

Для определения напряженности силового поля используется градиент потенциала - величина, которая определяет быстроту изменения потенциала по направлению силовой линии. Как рассчитать? Разность потенциалов двух точек электрического поля вычисляется по известному напряжению с помощью вектора напряженности, который равен градиенту потенциала.

Термины метеорологов и географов

Впервые понятие градиента было применено именно метеорологами для определения изменения величины и направления различных метеорологических показателей: температуры, давления, скорости и силы ветра. Он является мерой количественного изменения различных величин. В математику термин ввел Максвелл уже значительно позднее. В определении погодных условий существуют понятия вертикального и горизонтального градиентов. Рассмотрим их подробнее.

Что такое градиент температуры вертикальный? Это величина, которая показывает изменение показателей, вычисленное на высот в 100 м. Может быть как положительного направления, так и отрицательного, в отличие от горизонтального, который всегда положителен.

Градиент показывает на местности величину или угол уклона. Вычисляется как отношение высоты к длине проекции пути на определенном участке. Выражается в процентах.

Медицинские показатели

Определение "градиент температурный" можно встретить также среди медицинских терминов. Он показывает разницу в соответствующих показателях внутренних органов и поверхности тела. В биологии градиент физиологический фиксирует изменение в физиологии любого органа или организма в целом на любой стадии его развития. В медицине показатель метаболический - интенсивность обмена веществ.

Не только физики, но и медики используют этот термин в работе. Что такое градиент давления в кардиологии? Такое понятие определяет разность кровяного давления в любых связанных между собой отделах сердечно-сосудистой системы.

Убывающий градиент автоматии - это показатель уменьшения частоты возбуждений сердца в направлении от его основания к верху, возникающие автоматически. Кроме того, кардиологи место поражения артерии и его степень выявляют благодаря контролю над разностью амплитуд систолических волн. Иными словами, с помощью амплитудного градиента пульса.

Что такое градиент скорости?

Когда говорят о скорости изменения некой величины, то подразумевают под этим быстроту изменения по времени и в пространстве. Другими словами градиент скорости определяет изменение пространственных координат в соотношении с временными показателями. Этот показатель вычисляют метеорологи, астрономы, химики. Градиент скорости сдвига слоев жидкости определяют в нефтегазовой промышленности, для вычисления скорости подъема жидкости по трубе. Такой показатель тектонических движений - это область расчетов сейсмологов.

Экономические функции

Для обоснования важных теоретических выводов понятием градиента широко пользуются экономисты. При решении задач потребителя используется функция полезности, которая помогает представить предпочтения из множества альтернатив. "Функция бюджетных ограничений" - термин, используемый для обозначения множества потребительских наборов. Градиенты в этой области используют для вычисления оптимальных потреблений.

Градиент цвета

Термин "градиент" знаком творческим личностям. Хоть они и далеки от точных наук. Что такое градиент для дизайнера? Так как в точных науках - это постепенное увеличение величины на единицу, так и в цвете этот показатель обозначает плавный, растянутый переход оттенков одного цвета от более светлого к темному, или же наоборот. Художники так и называют этот процесс - "растяжка». Возможен переход и к разным сопутствующим цветам в одной гамме.

Градиентные растяжки оттенков в окраске помещений заняли прочную позицию среди методик дизайна. Новомодный стиль омбре - плавное перетекание оттенка от светлого к темному, от яркого к бледному - эффектно преобразует любое помещения в доме и в офисе.

Оптики используют специальные линзы в солнцезащитных очках. Что такое градиент в очках? Это изготовление линзы особым способом, когда сверху вниз цвет переходит от более темного к более светлому оттенку. Изделия, изготовленные по такой технологии, защищают глаза от солнечного излучения и позволяют рассматривать предметы даже при очень ярком свете.

Цвет в веб-дизайне

Тем, кто занимается веб-дизайном и компьютерной графикой, хорошо знаком универсальный инструмент "градиент", с помощью которого создается масса самых разнообразных эффектов. Переходы цвета преображаются в блики, причудливый фон, трехмерность. Манипуляции с оттенками, создание света и тени придает объем векторным объектам. В этих целях используются несколько видов градиентов:

Линейный.
Радиальный.
Конусовидный.
Зеркальный.
Ромбовидный.
Градиент шума.

Градиентная красота

Для посетительниц салонов красоты вопрос о том, что такое градиент, не станет неожиданным. Правда, и в этом случае знание математических законов и основ физики не обязательно. Речь идет все так же о цветовых переходах. Объектом градиента становятся волосы и ногти. Техника омбрэ, что в переводе с французского обозначает "тон" пришла в моду от спортивных любительниц серфинга и других пляжных развлечений. Естественным образом выгоревшие и вновь отросшие волосы стали хитом. Модницы стали специально окрашивать волосы с еле заметным переходом оттенков.

Техника омбре не прошла мимо маникюрных салонов. Градиент на ногтях создает окраску с постепенным осветлением пластины от корня к краю. Мастера предлагают горизонтальный, вертикальный, с переходом и другие разновидности.

Рукоделие

Рукодельницам понятие "градиент" знакомо еще с одной стороны. Техника подобного плана используется в создании вещей ручной работы в стиле декупаж. Таким способом создают новые вещи под старину, или реставрируют старые: комоды, стулья, сундуки и прочее. Декупаж подразумевает нанесение узора с помощью трафарета, основой для которого служит градиент цвета, как фон.

Художники по тканям взяли на вооружение окраску таким способом для новых моделей. Платья с расцветкой градиент покорили подиумы. Моду подхватили рукодельницы - вязальщицы. Трикотажные вещи с плавным переходом цвета пользуются успехом.

Подводя итог определению "градиент", можно сказать об очень обширной области человеческой деятельности, в которой находится место этому термину. Не всегда замена синонимом "вектор" оказывается подходящей, так как вектор - это все-таки понятие функциональное, пространственное. В чем определяется общность понятия - это постепенное изменение определенной величины, субстанции, физического параметра на единицу за определенный период. В цвете - это плавный переход тона.

1 0 Градиент направлен по нормали к поверхности уровня (или к линии уровня, если поле плоское).

2 0 Градиент направлен в сторону возрастания функции поля.

3 0 Модуль градиента равен наибольшей производной по направлениювданной точке поля:

Эти свойства дают инвариантную характеристику градиента. Они говорят о том, что вектор gradU указывает направление и величину наибольшего изменения скалярного поля в данной точке.

Замечание 2.1. Если функция U(x,y) есть функция двух переменных, то вектор

(2.3)

лежит в плоскости oxy.

Пусть U=U(x,y,z) и V=V(x,y,z) дифференцируемых в точке М 0 (x,y,z) функции. Тогда имеет место следующие равенства:

а) grad()= ; б) grad(UV)=VgradU+UgradV;

в) grad(U V)=gradU gradV; г) г) grad = , V ;

д) gradU( = gradU, где , U=U() имеет производную по .

Пример 2.1. Дана функция U=x 2 +y 2 +z 2 . Определить градиент функции в точке М(-2;3;4).

Решение. Согласно формуле (2.2) имеем

Поверхностями уровня данного скалярного поля являются семейство сфер x 2 +y 2 +z 2 , вектор gradU=(-4;6;8) есть нормальный вектор плоскостей.

Пример 2.2. Найти градиент скалярного поля U=x-2y+3z.

Решение. Согласно формуле (2.2) имеем

Поверхностями уровня данного скалярного поля являются плоскости

x-2y+3z=С; вектор gradU=(1;-2;3) есть нормальный вектор плоскостей этого семейства.

Пример 2.3. Найти наибольшую крутизну подъема поверхности U=x y в точке М(2;2;4).

Решение. Имеем:

Пример 2.4. Найти единичный вектор нормали к поверхности уровня скалярного поля U=x 2 +y 2 +z 2 .

Решение. Поверхности уровня данного скалярного Поля-сфера x 2 +y 2 +z 2 =С (С>0).

Градиент направлен по нормали к поверхности уровня, так что

Определяет вектор нормали к поверхности уровня в точке М(x,y,z). Для единичного вектора нормали получаем выражение

, где

Пример 2.5. Найти градиент поля U= , где и постоянные векторы, r –радиус вектор точки.

Решение. Пусть

Тогда:
. По правилу дифференцирования определителя получаем

Следовательно,

Пример 2.6. Найти градиент расстояния , где P(x,y,z) - изучаемая точка поля, P 0 (x 0 ,y 0 ,z 0) - некоторая фиксированная точка.

Решение. Имеем - единичный вектор направления .

Пример 2.7. Найти угол между градиентами функций в точке М 0 (1,1).

Решение. Находим градиенты данных функций в точке М 0 (1,1), имеем

; Угол между gradU и gradV в точке М 0 определяется из равенства

Отсюда =0.

Пример 2.8. Найти производную по направлению, радиус- вектор равен

(2.4)

Решение. Находим градиент этой функции:

Подставляя (2.5) в (2.4), получим

Пример 2.9. Найти в точке М 0 (1;1;1) направление наибольшего изменения скалярного поля U=xy+yz+xz и величину этого наибольшего изменения в этой точке.

Решение. Направление наибольшего изменения поля указывается вектором grad U(M). Находим его:

И, значит, . Это вектор определяет направление наибольшего возрастания данного поля в точке М 0 (1;1;1). Величина наибольшего изменения поля в этой точке равна

Пример 3.1. Найти векторные линии векторного поля где -постоянный вектор.

Решение. Имеем так что

(3.3)

Умножим числитель и знаменатель первой дроби на х, второй-на у, третий- на z и сложим почленно. Используя свойство пропорций, получим

Отсюда xdx+ydy+zdz=0, а значит

x 2 +y 2 +z 2 =A 1 , A 1 -const>0. Умножив теперь числитель и знаменатель первой дроби (3.3) на с 1 , второй –на с 2 , третий на с 3 и сложив почленно, получим

Откуда с 1 dx+c 2 dy+c 3 dz=0

И, следовательно, с 1 x+c 2 y+c 3 z=A 2 . A 2 -const.

Искомые уравнения векторных линий

Эти уравнения показывают, что векторные линии получаются в результате пересечения сфер, имеющих общий центр в начале координат, с плоскостями, перпендикулярными вектору . Отсюда следует, что векторные линии являются окружностями, центры которых находятся на прямой, проходящей через начало координат в направлении вектора с. Плоскости окружностей перпендикулярны указанной прямой.

Пример 3.2. Найти векторную линию поля проходящую через точку (1,0,0).

Решение. Дифференциальные уравнения векторных линий

отсюда имеем . Решая первое уравнение . Или если ввести параметр t, то будем иметь В этом случае уравнение принимает вид или dz=bdt, откуда z=bt+c 2 .

Градиент функции – векторная величина, нахождение которой связано с определением частных производных функции. Направление градиента указывает путь наискорейшего роста функции от одной точки скалярного поля к иной.

Инструкция

1. Для решения задачи на градиент функции применяются способы дифференциального исчисления, а именно нахождение частных производных первого порядка по трем переменным. При этом предполагается, что сама функция и все ее частные производные владеют свойством непрерывности в области определения функции.

2. Градиент – это вектор, направление которого указывает направление максимально стремительного возрастания функции F. Для этого на графике выбираются две точки M0 и M1, которые являются концами вектора. Величина градиента равна скорости возрастания функции от точки M0 к точке M1.

3. Функция дифференцируема во всех точках этого вектора, следственно, проекциями вектора на координатных осях являются все ее частные производные. Тогда формула градиента выглядит дальнейшим образом:grad = (?F/?х) i + (?F/?y) j + (?F/?z) k, где i, j, k – координаты единичного вектора. Иными словами, градиент функции – это вектор, координатами которого являются ее частные производные grad F = (?F/?х, ?F/?y, ?F/?z).

4. Пример1.Пускай задана функция F = sin(х z?)/y. Требуется обнаружить ее грaдиент в точке (?/6, 1/4, 1).

5. Решение.Определите частные производные по всякой переменной: F’_х = 1/y соs(х z?) z?;F’_y = sin(х z?) (-1) 1/(y?);F’_z = 1/y соs(х z?) 2 х z.

6. Подставьте знаменитые значения координат точки:F’_x = 4 соs(?/6) = 2 ?3; F’_y = sin(?/6) (-1) 16 = -8; F’_z = 4 соs(?/6) 2 ?/6 = 2 ?/?3.

7. Примените формулу градиента функции:grаd F = 2 ?3 i – 8 j + 2 ?/?3 k.

8. Пример2.Обнаружьте координаты градиента функции F = y arсtg (z/x) в точке (1, 2, 1).

9. Решение.F’_х = 0 аrсtg (z/х) + y (аrсtg(z/х))’_х = y 1/(1 + (z/х)?) (-z/х?) = -y z/(х? (1 + (z/х)?)) = -1;F’_y = 1 аrсtg(z/х) = аrсtg 1 = ?/4;F’_z = 0 аrсtg(z/х) + y (аrсtg(z/х))’_z = y 1/(1 + (z/х)?) 1/х = y/(х (1 + (z/х)?)) = 1.grаd = (-1, ?/4, 1).

Градиент скалярного поля является векторной величиной. Таким образом, для его нахождения требуется определить все компоненты соответствующего вектора, исходя из познаний о разделении скалярного поля.

Инструкция

1. Прочитайте в учебнике по высшей математике, что собой представляет градиент скалярного поля. Как вестимо, данная векторная величина имеет направление, характеризующееся максимальной скоростью спада скалярной функции. Такой толк данной векторной величины обосновывается выражением для определения ее компонент.

2. Помните, что всякий вектор определяется величинами его компонент. Компоненты вектора являются реально проекциями этого вектора на ту либо другую координатную ось. Таким образом, если рассматривается трехмерное пространство, то у вектора должно быть три компоненты.

3. Запишите, как определяются компоненты вектора, являющегося градиентом некоторого поля. Вся из координат такого вектора равна производной скалярного потенциала по переменной, координата которой рассчитывается. То есть, если нужно вычислить «иксовую» компоненту вектора градиента поля, то надобно продифференцировать скалярную функцию по переменной «икс». Обратите внимание, что производная должна быть частная. Это обозначает, что при дифференцировании остальные переменные, не участвующие в нем, надобно считать константами.

4. Напишите выражение для скалярного поля. Как знаменито, данный термин подразумевает собой каждого лишь скалярную функцию нескольких переменных, являющихся также скалярными величинами. Число переменных скалярной функции ограничено размерностью пространства.

5. Продифференцируйте отдельно скалярную функцию по всякой переменной. В результате у вас получится три новые функции. Впишите всякую функцию в выражение для вектора градиента скалярного поля. Всякая из полученных функций реально является показателем при единичном векторе данной координаты. Таким образом, финальный вектор градиента должен выглядеть как многочлен с показателями в виде производных функции.

При рассмотрении вопросов, включающих представление градиента, почаще каждого функции воспринимают как скалярные поля. Следственно нужно ввести соответствующие обозначения.

Вам понадобится

– буман;
– ручка.

Инструкция

1. Пускай функция задается тремя доводами u=f(x, y, z). Частную производную функции, на пример по х, определяют как производную по этому доводу, полученную при фиксировании остальных доводов. Для остальных доводов подобно. Обозначения частной производной записывается в виде: дf/дх = u’x …

2. Полный дифференциал будет равен du=(дf/дх)dx+ (дf/дy)dy+(дf/дz)dz.Частные производные дозволено понимать, как производные по направлениям координатных осей. Следственно появляется вопрос о нахождении производной по направлению заданного вектора s в точке M(x, y, z) (не забывайте, что направление s задает единичный вектор-орт s^o). При этом вектор-дифференциал доводов {dx, dy, dz}={дscos(альфа), дsсоs(бета), дsсоs(гамма)}.

3. Рассматривая вид полного дифференциала du, дозволено сделать итог, что производная по направле-нию s в точке М равна:(дu/дs)|M=((дf/дх)|M)соs(альфа)+ ((дf/дy)|M) соs(бета) +((дf/дz)|M) соs(гамма).Если s= s(sx,sy,sz), то направляющие косинусы {соs(альфа), соs(бета), соs(гамма)} вычисляются (см. рис.1а).

4. Определение производной по направлению, считая точку М переменной, дозволено переписать в виде скалярного произведения: (дu/дs)=({дf/дх, дf/дy,дf/дz}, {соs(альфа), соs(бета), соs(гамма)})=(grad u, s^o). Данное выражение будет объективно для скалярного поля. Если рассматривается легко функ-ция, то gradf – это вектор, имеющий координаты, совпадающие с частными производными f(x, y, z).gradf(x,y,z)={{дf/дх, дf/дy, дf/дz}=)=(дf/дх)i+(дf/дy)j +(дf/дz)k. Тут (i, j, k) – орты координатных осей в прямоугольной декартовой системе координат.

5. Если применять дифференциальный вектор-оператор Гамильтона набла, то gradf дозволено записать, как умножение этого вектора-оператора на скаляр f (см. рис. 1б). С точки зрения связи gradf c производной по направлению, равенство (gradf, s^o)=0 допустимо, если эти векторы ортогональны. Следственно gradf зачастую определяют, как направление быстрейшего метаморфозы скалярного поля. А с точки зрения дифференциальных операций (gradf – одна из них), свойства gradf в точности повторяют свойства дифференцирования функций. В частности, если f=uv, то gradf=(vgradu+u gradv).

Видео по теме

Градиент это инструмент, в графических редакторах исполняющий заливку силуэта плавным переходом одного цвета в иной. Градиент может придать силуэту результат объема, имитировать освещение, блики света на поверхности предмета либо результат заката на заднем плане фотографии. Данный инструмент имеет широкое использование, следственно для обработки фотографий либо создания иллюстраций дюже значимо обучится им пользоваться.

Вам понадобится

Компьютер, графический редактор Adobe Photoshop, Corel Draw, Paint.Net либо иной.

Инструкция

1. Откройте в программе изображение либо сделайте новое. Сделайте силуэт либо выделите надобную область на изображении.

2. Включите инструмент градиент на панели инструментов графического редактора. Разместите курсор мышки на точку внутри выделенной области либо силуэта, в которой будет начинаться 1-й цвет градиента. Нажмите и удерживайте левую клавишу мышки. Перемещайте курсор в точку, в которой градиент должен перейти в конечный цвет. Отпустите левую клавишу мышки. Выделенный силуэт заполнит заливка градиентом.

3. Градиент у дозволено задать прозрачность, цвета и их соотношение в определенной точке заливки. Для этого откройте окно редактирования градиента. Дабы открыть окно редактирования в Photoshop – кликните по примеру градиента в панели «Параметры».

4. В открывшемся окне в виде примеров отображаются доступные варианты градиентной заливки. Дабы отредактировать один из вариантов выберите его кликом мышки.

5. В нижней части окна отображается пример градиента в виде широкой шкалы, на которой расположены ползунки. Ползунки обозначают точки, в которых градиент должен иметь заданные колляции, а в интервале между ползунками цвет равномерно переходит из заданного в первой точке к цвету 2-й точки.

6. Ползунки, которые расположены в верхней части шкалы задают прозрачность градиента. Дабы изменить прозрачность кликните по необходимому ползунку. Под шкалой появится поле, в которое введите необходимую степень прозрачности в процентах.

7. Ползунки в нижней части шкалы задают цвета градиента. Кликнув по одному из них, вы сумеете предпочесть надобный цвет.

8. Градиент может иметь несколько цветов перехода. Дабы задать еще один цвет – кликните по свободному месту на нижней части шкалы. На ней появится еще один ползунок. Задайте для него необходимый цвет. Шкала отобразит пример градиента с еще одной точкой. Вы можете передвигать ползунки, удерживая их с поддержкой левой клавиши мышки, дабы добиться необходимого сочетания.

9. Градиент ы бывают нескольких типов, которые могут придать форму плоским силуэтам. Скажем, дабы придать окружности форму шара применяется радиальный градиент, а дабы придать форму конуса – конусовидный. Дабы придать поверхности иллюзию выпуклости дозволено воспользоваться зеркальным градиентом, а ромбовидный градиент может применяться для создания бликов.

Видео по теме

Из школьного курса математики известно, что вектор на плоскости представляет собой направленный отрезок. Его начало и конец имеют по две координаты. Координаты вектора рассчитываются путем вычитания из координат конца координат начала.

Понятие вектора может быть распространено и на n-мерное пространство (вместо двух координат будетnкоординат).

Градиентом gradzфункцииz=f(х 1 , х 2 , …х n) называется вектор частных производных функции в точке, т.е. вектор с координатами.

Можно доказать, что градиент функции характеризует направление наискорейшего роста уровня функции в точке.

Например, для функции z= 2х 1 + х 2 (см. рисунок 5.8) градиент в любой точке будет иметь координаты (2; 1). Построить его на плоскости можно различными способами, взяв в качестве начала вектора любую точку. Например, можно соединить точку (0; 0) с точкой (2; 1), или точку (1; 0) с точкой (3; 1), или точку (0; 3) с точкой (2; 4), или т.п. (см. рисунок 5.8). Все построенные таким образом вектора будут иметь координаты (2 – 0; 1 – 0) = = (3 – 1; 1 – 0) = (2 – 0; 4 – 3) = (2; 1).

Из рисунка 5.8 хорошо видно, что уровень функции растет в направлении градиента, поскольку построенные линии уровня соответствуют значениям уровня 4 > 3 > 2.

Рисунок 5.8 - Градиент функции z= 2х 1 + х 2

Рассмотрим другой пример – функцию z= 1/(х 1 х 2). Градиент этой функции уже не будет всегда одинаковым в разных точках, поскольку его координаты определяются формулами (-1/(х 1 2 х 2); -1/(х 1 х 2 2)).

На рисунке 5.9 представлены линии уровня функцииz= 1/(х 1 х 2) для уровней 2 и 10 (прямая 1/(х 1 х 2) = 2 обозначена пунктиром, а прямая 1/(х 1 х 2) = 10 – сплошной линией).

Рисунок 5.9 - Градиенты функции z= 1/(х 1 х 2) в различных точках

Возьмем, например, точку (0,5; 1) и вычислим градиент в этой точке: (-1/(0,5 2 *1); -1/(0,5*1 2)) = (-4; -2). Заметим, что точка (0,5; 1) лежит на линии уровня 1/(х 1 х 2) = 2, ибоz=f(0,5; 1) = 1/(0,5*1) = 2. Чтобы изобразить вектор (-4; -2) на рисунке 5.9, соединим точку (0,5; 1) с точкой (-3,5; -1), ибо (-3,5 – 0,5; -1 - 1) = (-4; -2).

Возьмем другую точку на той же самой линии уровня, например, точку (1; 0,5) (z=f(1; 0,5) = 1/(0,5*1) = 2). Вычислим градиент в этой точке (-1/(1 2 *0,5); -1/(1*0,5 2)) = (-2; -4). Чтобы изобразить его на рисунке 5.9, соединим точку (1; 0,5) с точкой (-1; -3,5), ибо (-1 - 1; -3,5 - 0,5) = (-2; -4).

Возьмем еще одну точку на той же самой линии уровня, но только теперь в неположительной координатной четверти. Например, точку (-0,5; -1) (z=f(-0,5; -1) = 1/((-1)*(-0,5)) = 2). Градиент в этой точке будет равен (-1/((-0,5) 2 *(-1)); -1/((-0,5)*(-1) 2)) = (4; 2). Изобразим его на рисунке 5.9, соединив точку (-0,5; -1) с точкой (3,5; 1), ибо (3,5 – (-0,5); 1 – (-1)) = (4; 2).

Следует обратить внимание, что во всех трех рассмотренных случаях градиент показывает направление роста уровня функции (в сторону линии уровня 1/(х 1 х 2) = 10 > 2).

Можно доказать, что градиент всегда перпендикулярен линии уровня (поверхности уровня), проходящей через данную точку.

Экстремумы функции многих переменных

Определим понятие экстремума для функции многих переменных.

Функция многих переменных f(X) имеет в точке Х (0) максимум (минимум), если найдется такая окрестность этой точки, что для всех точек Х из этой окрестности выполняются неравенстваf(X)f(X (0)) ().

Если эти неравенства выполняются, как строгие, то экстремум называется сильным , а если нет, тослабым .

Заметим, что определенный таким образом экстремум носит локальный характер, так как эти неравенства выполняются лишь для некоторой окрестности точки экстремума.

Необходимым условием локального экстремума дифференцируемой функции z=f(х 1 , . . ., х n) в точке является равенство нулю всех частных производных первого порядка в этой точке:
.

Точки, в которых выполняются эти равенства, называются стационарными .

По-другому необходимое условие экстремума можно сформулировать так: в точке экстремума градиент равен нулю. Можно доказать и более общее утверждение - в точке экстремума обращаются в ноль производные функции по всем направлениям.

Стационарные точки должны быть подвергнуты дополнительным исследованиям - выполняются ли достаточные условия существования локального экстремума. Для этого определяют знак дифференциала второго порядка. Если при любых , не равных одновременно нулю, он всегда отрицателен (положителен), то функция имеет максимум (минимум). Если может обращаться в ноль не только при нулевых приращениях, то вопрос об экстремуме остается открытым. Если может принимать как положительные, так и отрицательные значения, то экстремума в стационарной точке нет.

В общем случае определение знака дифференциала представляет собой достаточно сложную проблему, которую здесь рассматривать не будем. Для функции двух переменных можно доказать, что если в стационарной точке
, то экстремум присутствует. При этом знак второго дифференциала совпадает со знаком
, т.е. если
, то это максимум, а если
, то это минимум. Если
, то экстремума в этой точке нет, а если
, то вопрос об экстремуме остается открытым.

Пример 1 . Найти экстремумы функции
.

Найдем частные производные методом логарифмического дифференцирования.

ln z = ln 2 + ln (x + y) + ln (1 + xy) – ln (1 + x 2) – ln (1 + y 2)

Аналогично
.

Найдем стационарные точки из системы уравнений:

Таким образом, найдены четыре стационарные точки (1; 1), (1; -1), (-1; 1) и (-1; -1).

Найдем частные производные второго порядка:

ln (z x `) = ln 2 + ln (1 - x 2) -2ln (1 + x 2)

Аналогично
;
.

Так как
, знак выражения
зависит только от
. Отметим, что в обеих этих производных знаменатель всегда положителен, поэтому можно рассматривать только знак числителя,или даже знак выражений х(х 2 – 3)иy(y 2 – 3). Определим его в каждой критической точке и проверим выполнение достаточного условия экстремума.

Для точки (1; 1) получим 1*(1 2 – 3) = -2 < 0. Т.к. произведение двух отрицательных чисел
> 0, а
< 0, в точке (1; 1) можно найти максимум. Он равен
= 2*(1 + 1)*(1 +1*1)/((1 +1 2)*(1 +1 2)) = = 8/4 = 2.

Для точки (1; -1) получим 1*(1 2 – 3) = -2 < 0 и (-1)*((-1) 2 – 3) = 2 > 0. Т.к. произведение этих чисел
< 0, в этой точке экстремума нет. Аналогично можно показать, что нет экстремума в точке (-1; 1).

Для точки (-1; -1) получим (-1)*((-1) 2 – 3) = 2 > 0. Т.к. произведение двух положительных чисел
> 0, а
> 0, в точке (-1; -1) можно найти минимум. Он равен 2*((-1) + (-1))*(1 +(-1)*(-1))/((1 +(-1) 2)*(1 +(-1) 2)) = -8/4 = = -2.

Найти глобальный максимум или минимум (наибольшее или наименьшее значение функции) несколько сложнее, чем локальный экстремум, так как эти значения могут достигаться не только в стационарных точках, но и на границе области определения. Исследовать поведение функции на границе этой области не всегда легко.