首先,说明所说的梯度与曲线的切向量垂直,即梯度方向是法向量方向:
设曲线x=x(t),y=y(t),z=z(t)是曲面u(x,y,z)=c上的一条曲线(c为常数,u(x,y,z)=c表示等高线),由于该曲线在曲面上,所以x=x(t),y=y(t),z=z(t)满足方程u(x,y,z)=c,即u(x(t),y(t),z(t))=c,利用复合函数求导法则,方程两边同时对t求导数,得 (eu/ex)*x‘(t)+(eu/ey)*y‘(t)+(eu/ez)*z‘(t)=0,所以向量(x‘(t),y‘(t),z‘(t))【切向方向】与向量(eu/ex,eu/ey,eu/ez)【梯度】垂直。
但是,这里需要注意的这里的法向量方向是对等高线来说的,而非对曲面,曲面法向量需要添加对u求偏导。因为梯度方向是降维的,都是对自变量求导的。
而向量(x‘(t),y‘(t),z‘(t))表示曲线的切向量,向量(eu/ex,eu/ey,eu/ez)表示梯度,所以梯度和切向量垂直。
说道这里,可能还不好理解,用爬山来举例。
爬山是最快的方向就是直观上最陡的方向,我们看着是斜向上的。而爬山时梯度方向是水平的【延伸到高维就不能说水平了】,即把那个斜向上的方向投影到水平面上的方向,也就是等高线的法向量方向了。
总结,讨论梯度与切向量、法向量的关系时,切法向量均是对曲线来说的,而不是整个曲面的法向量。因为梯度的维度比曲线的维度地,这是需要记住的。
时间: 2024-10-20 04:34:53