題目
6.
(a) (5%) Give the definition of the directional derivative of f(x,y) at (a,b) in the direction of a unit vector u=(u,v), u2+v2=1.
(b) (5%) Show that the directional derivative of the following function exists in every direction u=(u,v) at (0,0), where
f(x,y)=⎩⎨⎧x2+y4xy2,0,if (x,y)=(0,0);if (x,y)=(0,0).
(c) (5%) Show that the above function f(x,y) is not differentiable at (0,0).
解答
(a)
解法一
展開
沿著通過 (a,b)、方向為單位向量 u=(u,v) 的直線前進,方向導數定義為
Duf(a,b)=h→0limhf(a+hu,b+hv)−f(a,b)
只要此極限存在,便稱 f 在該方向的方向導數存在。
(b)
解法一
思路
展開
- 依定義將 (x,y) 換成 (hu,hv),因為要考察從原點沿方向 u 的變化。
- 分別處理 u=0 與 u=0,避免在 u=0 時除以 u。
答題過程
展開
因 f(0,0)=0,由定義
Duf(0,0)===h→0limhf(hu,hv)h→0limh1⋅(hu)2+(hv)4(hu)(hv)2h→0limu2+h2v4uv2.
若 u=0,上式極限為
Duf(0,0)=uv2.
若 u=0,則沿此方向有 x=0,故 f(0,hv)=0,從而
Duf(0,0)=0.
兩種情形皆有極限,因此方向導數在每一個單位方向都存在。
(c)
解法一
思路
展開
- 若函數在原點可微,所有方向導數都必須等於同一個梯度與方向向量的內積。
- 先由座標軸方向求出兩個偏導數;再找一個方向,使其方向導數與該內積不符。
答題過程
展開
沿兩個座標軸,函數值都為 0,所以
fx(0,0)=0,fy(0,0)=0.
若 f 在 (0,0) 可微,便應有 ∇f(0,0)=(0,0),進而對每個單位方向 u 都有
Duf(0,0)=∇f(0,0)⋅u=0.
但是取單位方向
u=(21,21),
由 (b) 得
Duf(0,0)=1/2(1/2)2=21=0.
這與可微時的必要條件矛盾,故 f 在 (0,0) 不可微。
易錯提醒
每個方向的方向導數都存在,並不保證函數可微;可微時,方向導數還必須能由同一個梯度的內積統一表示。