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Calculus · real student question

對函數 f(x, y) = x^2 y + x e^(-xy),求其梯度以及沿向量 (0, -1) 方向的方向導數。

Question

求

f(x,y)=x2y+xe−xyf(x,y)=x^{2}y+x e^{-xy}

的梯度,以及沿方向 v=(0,−1)T\mathbf{v}=(0,-1)^{T} 的方向導數。

Step-by-step solution

  1. 先回憶公式並檢查方向向量。 對單位向量 v\mathbf v,方向導數就是內積 Dvf=∇f⋅vD_{\mathbf v}f=\nabla f\cdot \mathbf v。這裡 ∥(0,−1)∥=02+(−1)2=1\|(0,-1)\|=\sqrt{0^2+(-1)^2}=1,所以 v\mathbf v 本來就是單位向量,不必再正規化。若它不是單位向量,就得先除以它的長度。

  2. 對 xx 偏微分。 項 x2yx^2y 給出 2xy2xy。項 xe−xyxe^{-xy} 需要乘積律搭配連鎖律,因為 ∂xe−xy=−ye−xy\partial_x e^{-xy}=-y e^{-xy}:

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

    所以

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

  3. 對 yy 偏微分。 這時 xx 是常數,所以 x2yx^2y 給出 x2x^2,而 ∂ye−xy=−xe−xy\partial_y e^{-xy}=-x e^{-xy} 使第二項成為 −x2e−xy-x^2 e^{-xy}:

    fy=x2−x2e−xy=x2(1−e−xy).f_y=x^{2}-x^{2}e^{-xy}=x^{2}\left(1-e^{-xy}\right).

  4. 把梯度組起來。

    ∇f(x,y)=(2xy+(1−xy)e−xyx2(1−e−xy)).\nabla f(x,y)=\begin{pmatrix}2xy+(1-xy)e^{-xy}\\[2pt] x^{2}\left(1-e^{-xy}\right)\end{pmatrix}.

  5. 與方向向量做內積。 因為 v=(0,−1)\mathbf v=(0,-1) 把第一個分量消掉,只有對 yy 的偏導數留下來,而且要變號:

    Dvf=∇f⋅(0,−1)=−fy=−x2(1−e−xy)=x2(e−xy−1).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).

    這也正是幾何上的意思:往 −y-y 方向走就是沿 yy 反向走,所以變化率是 fyf_y 的相反數。

  6. 用數值抽查。 在 (x,y)=(1.3,0.7)(x,y)=(1.3,0.7) 用中央差分得 fx≈1.856227f_x\approx 1.856227、fy≈1.009734f_y\approx 1.009734,與公式相符,而 Dvf≈−1.009734D_{\mathbf v}f\approx-1.009734。在 (−2,1.5)(-2,1.5) 公式給出 Dvf≈76.342D_{\mathbf v}f\approx 76.342,同樣與數值導數相符。

Answer

∇f=(2xy+(1−xy)e−xy, x2(1−e−xy)),D(0,−1)f=−x2(1−e−xy)\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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