我們知道偏導數反應的是函數沿坐标軸方向的變化率。但有的時候我們需要知道函數沿任一指定方向的變化率,這就引出了方向導數的概念。
函數ψ(x,y,z)在點P(x,y,z)沿以P為起始點的某射線l的變化率,稱為函數ψ(x,y,z)在點P沿方向l的方向導數,記作
式中cosα,cosβ,cos γ為l的方向餘弦,即(cosα,cosβ,cos γ)是與l同方向的單位向量。方向導數的值我們可以寫成兩個矢量點積的形式,如下
我們把矢量
叫做标量場ψ的梯度,記作gradψ。如果引入一個矢量性算子
此算子稱為哈密爾頓算子,則函數ψ的梯度也可以寫成▽ψ。
标量函數ψ沿l方向的方向導數就是梯度矢量在l上的投影。當l的方向與梯度方向一緻時,方向導數取得最大值,此時标量函數ψ增加得最快。l方向與梯度方向垂直時,方向導數為0。當l方向與梯度方向相反時,方向導數取得最小值,此時ψ減小得最快。
函數在一點的梯度是這樣一個向量,它的方向是函數在這點的方向導數取得最大值的方向,它的模就等于方向導數的最大值。
我們知道,靜電場中電位函數ψ的負梯度等于電場強度E,因此電場強度E的方向就是電位ψ減小得最快的方向。
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