Calculus · real student question

関数 f(x, y) = x^2 y + x e^(-xy) について、勾配ベクトルと、ベクトル (0, -1) の方向への方向微分を求めよ。

Question

次の関数について、勾配ベクトルと、方向 v=(0,1)T\mathbf{v}=(0,-1)^{T} への方向微分を求めよ。

f(x,y)=x2y+xexy.f(x,y)=x^{2}y+x e^{-xy}.

Step-by-step solution

  1. 公式を思い出し、方向ベクトルを確認する。 単位ベクトル v\mathbf v に対して、方向微分は内積 Dvf=fvD_{\mathbf v}f=\nabla f\cdot \mathbf v で与えられる。ここでは (0,1)=02+(1)2=1\|(0,-1)\|=\sqrt{0^2+(-1)^2}=1 なので v\mathbf v はすでに単位ベクトルであり、規格化は必要ない。そうでなければ、まずその長さで割る必要があった。

  2. xx で偏微分する。x2yx^2y からは 2xy2xy が出る。項 xexyxe^{-xy} には積の微分法と連鎖律の両方が必要で、xexy=yexy\partial_x e^{-xy}=-y e^{-xy} なので:

    x(xexy)=exyxyexy.\frac{\partial}{\partial x}\left(xe^{-xy}\right)=e^{-xy}-xy\,e^{-xy}.

    よって

    fx=2xy+(1xy)exy.f_x=2xy+(1-xy)e^{-xy}.

  3. yy で偏微分する。 今度は xx が定数なので x2yx^2y からは x2x^2 が出て、yexy=xexy\partial_y e^{-xy}=-x e^{-xy} より第2項は x2exy-x^2 e^{-xy} になる:

    fy=x2x2exy=x2(1exy).f_y=x^{2}-x^{2}e^{-xy}=x^{2}\left(1-e^{-xy}\right).

  4. 勾配ベクトルを組み立てる。

    f(x,y)=(2xy+(1xy)exyx2(1exy)).\nabla f(x,y)=\begin{pmatrix}2xy+(1-xy)e^{-xy}\\[2pt] x^{2}\left(1-e^{-xy}\right)\end{pmatrix}.

  5. 方向ベクトルと内積を取る。 v=(0,1)\mathbf v=(0,-1) は第1成分を消すので、生き残るのは yy についての偏微分だけで、しかも符号が反転する:

    Dvf=f(0,1)=fy=x2(1exy)=x2(exy1).D_{\mathbf v}f=\nabla f\cdot(0,-1)=-f_y=-x^{2}\left(1-e^{-xy}\right)=x^{2}\left(e^{-xy}-1\right).

    これは幾何的な意味とも一致する。y-y 方向に動くことは yy 軸を逆向きに進むことなので、変化率は fyf_y の符号を変えたものになる。

  6. 数値で抜き取り検査する。 (x,y)=(1.3,0.7)(x,y)=(1.3,0.7) で中心差分を取ると fx1.856227f_x\approx 1.856227fy1.009734f_y\approx 1.009734 となって公式と一致し、Dvf1.009734D_{\mathbf v}f\approx-1.009734 である。(2,1.5)(-2,1.5) では公式から Dvf76.342D_{\mathbf v}f\approx 76.342 が得られ、これも数値微分と一致する。

Answer

f=(2xy+(1xy)exy, x2(1exy)),D(0,1)f=x2(1exy)\nabla f=\left(2xy+(1-xy)e^{-xy},\ x^{2}\left(1-e^{-xy}\right)\right),\qquad D_{(0,-1)}f=-x^{2}\left(1-e^{-xy}\right)

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