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.
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 .
Пусть Z = F (M ) – функция, определенная в некоторой окрестности точки М(у; х); L ={ Cos ; Cos } – единичный вектор (на рис. 33 1= , 2= ); L – направленная прямая, проходящая через точку М ; М1(х1; у1), где х1=х+х и у1=у+у – точка на прямой L ; L – величина отрезка ММ1 ; Z = F (х+х, у+у)- F (X , Y ) – приращение функции F (M ) в точке М(х; у).
Определение. Предел отношения , если он существует, называется Производной функции Z = F ( M ) в точке M ( X ; Y ) по направлению вектора L .
Обозначение.
|
|
Если функция F (M ) дифференцируема в точке М(х; у) , то в точке М(х; у) существует производная по любому направлению L , исходящему из М ; вычисляется она по следующей формуле:
(8)
Где Cos И Cos - направляющие косинусы вектора L .
Пример 46. Вычислить производную функции Z = X 2 + Y 2 X в точке М(1; 2) по направлению вектора ММ1 , где М1 – точка с координатами (3; 0).
. Найдем единичный вектор L , имеющий данное направление:
Откуда Cos = ; Cos =- .
Вычислим частные производные функции в точке М(1; 2) :
По формуле (8) получим 
Пример 47. Найти производную функции U = Xy 2 Z 3 в точке М(3; 2; 1) В направлении вектора MN , где N (5; 4; 2) .
. Найдем вектор и его направляющие косинусы:
Вычислим значения частных производных в точке М :
Следовательно, 
Определение. Градиентом Функции Z = F (M ) в точке М(х; у) называется вектор, координаты которого равны соответствующим частным производным и, взятым в точке М(х; у).
Обозначение. 
Пример 48. Найти градиент функции Z = X 2 +2 Y 2 -5 в точке М(2; -1) .
Решение
. Находим частные производные: 
и их значения в точке М(2; -1):
Пример 49.
Найти величину и направление градиента функции в точке 
Решение. Найдем частные производные и вычислим их значения в точке М:
Следовательно,
Аналогично определяется производная по направлению для функции трех переменных U = F (X , Y , Z ) , выводятся формулы
Вводится понятие градиента 
Подчеркнем, что Основные свойства градиента функции важнее для анализа экономических оптимизационных : в направлении градиента функция возрастает. В экономических задачах находят применение следующие свойства градиента:
1) Пусть задана функция Z = F (X , Y ) , имеющая частные производные в области определения. Рассмотрим некоторую точку М0(х0, у0) из области определения. Значение функции в этой точке пусть равно F (X 0 , Y 0 ) . Рассмотрим график функции. Через точку (X 0 , Y 0 , F (X 0 , Y 0 )) трехмерного пространства проведем плоскость, касательную к поверхности графика функции. Тогда градиент функции, вычисленный в точке (х0, у0) , рассматриваемый геометрически как вектор, приложенный в точке (X 0 , Y 0 , F (X 0 , Y 0 )) , будет перпендикулярен касательной плоскости. Геометрическая иллюстрация приведена на рис. 34.
2) Градиент функции F (X , Y ) в точке М0(х0, у0) указывает направление наиболее быстрого возрастания функции в точке М0 . Кроме того, любое направление, составляющее с градиентом острый угол, является направлением роста функции в точке М0 . Другими словами, малое движение из точки (х0, у0) по направлению градиента функции в этой точке ведет к росту функции, причем в наибольшей степени.
Рассмотрим вектор, противоположный градиенту. Он называется Антиградиентом . Координаты этого вектора равны:
Антиградиент функции F (X , Y ) в точке М0(х0, у0) указывает направление наиболее быстрого убывания функции в точке М0 . Любое направление, образующее острый угол с антиградиентом, является направлением убывания функции в этой точке.
3) При исследовании функции часто возникает необходимость нахождения таких пар (х, у) из области определения функции, при которых функция принимает одинаковые значения. Рассмотрим множество точек (X , Y ) из области определения функции F (X , Y ) , таких, что F (X , Y )= Const , где запись “ Const ” означает, что значение функции зафиксировано и равно некоторому числу из области значений функции.
Определение. Линией уровня функции U = F ( X , Y ) называется линия F (X , Y )=С на плоскости XOy , в точках которой функция сохраняет постоянное значение U = C .
Линии уровня геометрически изображаются на плоскости изменения независимых переменных в виде кривых линий. Получение линий уровня можно представить себе следующим образом. Рассмотрим множество С , которое состоит из точек трехмерного пространства с координатами (X , Y , F (X , Y )= Const ), которые, с одной стороны, принадлежат графику функции Z = F (X , Y ), с другой - лежат в плоскости, параллельной координатной плоскости ХОУ , и отстоящей от неё на величину, равную заданной константе. Тогда для построения линии уровня достаточно поверхность графика функции пересечь плоскостью Z = Const и линию пересечения спроектировать на плоскость ХОУ . Проведенное рассуждение является обоснованием возможности непосредственно строить линии уровня на плоскости ХОУ .
Определение. Множество линий уровня называют Картой линий уровня .
Хорошо известны примеры линий уровня – уровни одинаковых высот на топографической карте и линии одинакового барометрического давления на карте погоды.
Определение.
Направление, вдоль которого скорость увеличения функции максимальна, называется «предпочтительным» направлением
, или Направлением наискорейшего роста
.
«Предпочтительное» направление задается вектором-градиентом функции. На рис. 35 изображены максимум, минимум и седловая точка в задаче оптимизации функции двух переменных при отсутствии ограничений. В нижней части рисунка изображены линии уровня и направления наискорейшего роста.
Пример 50. Найти линии уровня функции U = X 2 + Y 2 .
Решение. Уравнение семейства линий уровня имеет вид X 2 + Y 2 = C (C >0) . Придавая С различные действительные значения, получим концентрические окружности с центром в начале координат.
Построение линий уровня. Их анализ находит широкое применение в экономических задачах микро - и макроуровня, теории равновесия и эффективных решений. Изокосты, изокванты, кривые безразличия – это все линии уровня, построенные для разных экономических функций.
Пример 51. Рассмотрим следующую экономическую ситуацию. Пусть производство продукции описывается Функцией Кобба-Дугласа F (X , Y )=10х1/3у2/3 , где Х – количество труда, У – количество капитала. На приобретение ресурсов выделено 30 у. ед., цена труда составляет 5 у. ед., капитала – 10 у. ед. Зададимся вопросом: какой наибольший выпуск можно получить в данных условиях? Здесь под «данными условиями» имеются в виду заданные технологии, цены на ресурсы, вид производственной функции. Как уже отмечалось, функция Кобба-Дугласа является монотонно возрастающей по каждой переменной, т. е. увеличение каждого вида ресурса ведет к росту выпуска. В данных условиях ясно, что увеличивать приобретение ресурсов можно до тех пор, пока хватает денег. Наборы ресурсов, стоимость которых составляет 30 у. ед., удовлетворяют условию:
5х + 10у = 30,
Т. е. определяют линию уровня функции:
G (X , Y ) = 5х + 10у.
С другой стороны, с помощью линий уровня Функции Кобба-Дугласа (рис. 36) можно показать возрастание функции: в любой точке линии уровня направление градиента – это направление наибольшего возрастания, а для построения градиента в точке достаточно провести касательную к линии уровня в этой точке, построить перпендикуляр к касательной и указать направление градиента. Из рис. 36 видно, что движение линии уровня функции Кобба-Дугласа вдоль градиента следует производить до тех пор, пока она не станет касательной к линии уровня 5х + 10у = 30 . Таким образом, с помощью понятий линии уровня, градиента, свойств градиента можно выработать подходы к наилучшему использованию ресурсов с точки зрения увеличения объемов выпускаемой продукции.
Определение. Поверхностью уровня функции U = F ( X , Y , Z ) называется поверхность F (X , Y , Z )=С, в точках которой функция сохраняет постоянное значение U = C .
Пример 52. Найти поверхности уровня функции U = X 2 + Z 2 - Y 2 .
Решение. Уравнение семейства поверхностей уровня имеет вид X 2 + Z 2 - Y 2 =С . Если С=0 , то получаем X 2 + Z 2 - Y 2 =0 – конус; если C <0 , то X 2 + Z 2 - Y 2 =С – Семейство двуполостных гиперболоидов.
