題目
Problem
7. Find the direction in which the function f(x,y)=ln(xy) decreases fastest at the point (1,2)? What is the rate of decrease? (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 梯度與方向導數的性質:
- 函數 f(x,y) 增加最快的方向是其梯度向量 ∇f(x,y),增加率為梯度模長 ∥∇f∥。
- 函數 f(x,y) 減少最快的方向是其負梯度向量 −∇f(x,y),減少速率(減少率)同樣為 ∥∇f∥(若以負號表示變化率,則為 −∥∇f∥)。
- 第一步:求出偏導與梯度向量:
- f(x,y)=ln(xy)=lnx+lny (在 x,y>0 時)。
- ∇f(x,y)=⟨fx,fy⟩=⟨x1,y1⟩。
- 第二步:計算在點 (1,2) 的梯度值與模長:
- ∇f(1,2)=⟨1,21⟩。
- 模長為: ∥∇f(1,2)∥=12+(1/2)2=25。
- 第三步:求出最速下降方向的單位向量與下降速率:
- 最速下降方向為負梯度方向: −∇f(1,2)=⟨−1,−21⟩。
- 其單位向量為: u=∥∇f∥−∇f=⟨−52,−51⟩。
- 下降的速率(即最大減少率)為梯度模長: 25(此時變化率為 −25)。
答題過程
展開
根據多變數微積分的性質,對於可微函數 f(x,y):
- 函數增加最快的方向為梯度向量 ∇f。
- 函數減少最快的方向為負梯度向量 −∇f。
- 最大減少速率為梯度向量的模長 ∥∇f∥。
我們首先在第一象限(包含點 (1,2))簡化函數:
f(x,y)=ln(xy)=lnx+lny
計算其一階偏導數以取得梯度向量:
fx=∂x∂(lnx+lny)=x1
fy=∂y∂(lnx+lny)=y1
所以梯度向量為:
∇f(x,y)=⟨x1,y1⟩
將點 (1,2) 代入梯度中:
∇f(1,2)=⟨1,21⟩
-
最速下降方向:
為負梯度向量 −∇f(1,2):
−∇f(1,2)=⟨−1,−21⟩
我們通常將其化為單位方向向量 u:
∥∇f(1,2)∥=12+(21)2=45=25
u=∥∇f(1,2)∥−∇f(1,2)=25⟨−1,−1/2⟩=⟨−52,−51⟩
-
最速下降速率:
即為梯度模長(表示為正值下降率):
Rate of decrease=∥∇f(1,2)∥=25
(註:若問變化率,則變化率為 −25。)
結論:
- 最速下降方向為 ⟨−52,−51⟩(或向量 ⟨−1,−21⟩ 及其正實數倍方向)。
- 下降速率為 25。