Что означает градиент. МА
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.
Градиент (вектор)
Градиент
(от лат. gradiens, род. падеж gradientis -шагающий), вектор
, показывающий направление наискорейшего изменения некоторой величины, значение которой меняется от одной точки пространства к другой (см. Поля теория
). Если величина выражается функцией u
(х
, у
, z
), то составляющие Г. равны ═Г. обозначается знаком grad u
. Г. в некоторой точке направлен по нормали к поверхности уровня в этой точке, длина Г. равна
Понятием Г. широко пользуются в физике, метеорологии, океанологии и др., чтобы охарактеризовать скорость изменения в пространстве какой-либо величины при перемещении на единицу длины в направлении Г.: например, Г. давления, Г. температуры, Г. влажности, Г. скорости ветра, Г. солёности, Г. плотности морской воды. Г. электрического потенциала называется напряжённостью электрического поля.
Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .
Смотреть что такое "Градиент (вектор)" в других словарях:
Вектор Словарь русских синонимов. градиент сущ., кол во синонимов: 2 вектор (5) … Словарь синонимов
Вектор градиент, вектор градиента … Орфографический словарь-справочник
градиент
- Изменение значения некоторой величины на единицу расстояния в заданном направлении. Топографический градиент — это изменение высоты местности на измеренном по горизонтали расстоянии. }