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第15题
函数 $u=x^2+y\cos z$ 在点 $A(1,0,-2)$ 处的梯度向量 $\mathrm{grad}\,u\big|_A=$ ______;在点 $A(1,0,-2)$ 处沿从点 $A$ 到 $B(-1,1,0)$ 方向的方向导数为 ______。
答案
$\mathrm{grad}\,u\big|_A=(2,\cos 2,0)$;方向导数为 $\dfrac{\cos 2-4}{3}$
梯度 方向导数 方向余弦
📖 前置知识梳理 ▼
要点1(红色标注):梯度公式。二元函数 $z=f(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 处的梯度向量:$\text{grad }f(x_0,y_0)=(f_x(x_0,y_0), f_y(x_0,y_0))$。三元函数 $u=f(x,y,z)$ 在点 $(x_0,y_0,z_0)$ 处的梯度向量:$\text{grad }f(x_0,y_0,z_0)=(f_x, f_y, f_z)\big|_{(x_0,y_0,z_0)}$。要点2(红色标注):方向导数公式。函数 $f$ 在 $M_0$ 处沿方向 $\vec{l}$ 的方向导数:平面情形 $\frac{\partial f}{\partial \vec{l}} = \frac{\partial f}{\partial x}\big|_{M_0}\cos\alpha + \frac{\partial f}{\partial y}\big|_{M_0}\cos\beta$;空间情形 $\frac{\partial f}{\partial \vec{l}} = \frac{\partial f}{\partial x}\big|_{M_0}\cos\alpha + \frac{\partial f}{\partial y}\big|_{M_0}\cos\beta + \frac{\partial f}{\partial z}\big|_{M_0}\cos\gamma$。

要点3:梯度的性质——函数 $f$ 在 $M_0$ 处沿其正梯度 $\text{grad }f(M_0)$ 方向,方向导数最大,其最大值为 $|\text{grad }f(M_0)|$;沿负梯度方向,方向导数最小,其最小值为 $-|\text{grad }f(M_0)|$。

📋 解题步骤

1
求偏导数
▼
$\dfrac{\partial u}{\partial x}=2x$,$\dfrac{\partial u}{\partial y}=\cos z$,$\dfrac{\partial u}{\partial z}=-y\sin z$。
2
计算梯度
▼
代入 $A(1,0,-2)$ 得 $\mathrm{grad}\,u\big|_A=(2,\cos 2,0)$。
3
求方向导数
▼
$\overrightarrow{AB}=(-2,1,2)$,模长为 $3$;方向余弦 $\cos\alpha=-\dfrac{2}{3},\cos\beta=\dfrac{1}{3},\cos\gamma=\dfrac{2}{3}$。方向导数 $=2\left(-\dfrac{2}{3}\right)+\cos 2\left(\dfrac{1}{3}\right)+0=\dfrac{\cos 2-4}{3}$。
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