גרדיאנט ונגזרת מכוונת – 7 פרק - אלון באומן – שיעורים פרטיים ומרתונים
Transcription
גרדיאנט ונגזרת מכוונת – 7 פרק - אלון באומן – שיעורים פרטיים ומרתונים
פרק – 7גרדיאנט ונגזרת מכוונת הגדרה – נגזרת מכוונת תהי פונקציה 𝑦 𝑓 𝑥,המוגדרת בסביבה של נקודה הנגזרת המכוונת של 𝑦 𝑓 𝑥,בנקודה 𝑏 𝑎, 𝑏 , 𝑎,ויהי וקטור יחידה .𝑣 = 𝑣1 , 𝑣2 בכיוון 𝑣 היא תוצאת הגבול הבא (בתנאי שהוא קיים): 𝑓𝜕 𝑏 𝑓 𝑎 + 𝑣1 ℎ, 𝑏 + 𝑣2 ℎ − 𝑓 𝑎, 𝑎, 𝑏 = lim ℎ →0 𝑣𝜕 ℎ עבור וןקטור יחידה 𝑣 = 1,0הנגזרת המכוונת היא בדיוק הנגזרת החלקית לפי 𝑥. עבור וןקטור יחידה 𝑣 = 0,1הנגזרת המכוונת היא בדיוק הנגזרת החלקית לפי 𝑦. משפט אם פונקציה 𝑦 𝑓 𝑥,דיפרנציאבילית בנקודה 𝑏 𝑎, אז מתקיים: 𝑓𝜕 𝑓𝜕 𝑓𝜕 = 𝑏 𝑎, 𝑎, 𝑏 ∙ 𝑣1 + 𝑎, 𝑏 ∙ 𝑣2 𝑣𝜕 𝑥𝜕 𝑦𝜕 כאשר ויהי 𝑣 = 𝑣1 , 𝑣2וקטור יחידה דוגמא נתונה הפונקציה 𝑦𝑥 + 3 בכיוון וקטור .𝑣 = 2,2 𝑦2 𝑥 𝑒 = 𝑦 .𝑓 𝑥,נחשב את הנגזרת המכוונת של 𝑓 בנקודה 1, −2 לצורך חישוב הנגזרת המכוונת ,נשתמש בתוצאת המשפט הנ"ל לפיו: 𝑓𝜕 𝑓𝜕 𝑓𝜕 = 𝑏 𝑎, 𝑎, 𝑏 ∙ 𝑣1 + 𝑎, 𝑏 ∙ 𝑣2 𝑣𝜕 𝑥𝜕 𝑦𝜕 נחשב את ערכי הנגזרות החלקיות של 𝑓 בנקודה : 1, −2 𝑓𝜕 21 1, −2 = 2 𝑥𝜕 𝑒 ⇒ 𝑓𝜕 2 2 𝑦 𝑥 𝑒 = 𝑒 𝑥 𝑦 2𝑥𝑦 𝑥 + 3𝑦 + 𝑥𝜕 𝑓𝜕 2 1, −2 = − 2 𝑦𝜕 𝑒 ⇒ 𝑓𝜕 2 2 𝑦 𝑥 𝑒= 𝑒 𝑥 𝑦 𝑥 2 𝑥 + 3𝑦 + 3 𝑦𝜕 נחשב את הנורמה של הוקטור 𝑣: 22 + 22 = 8 © באומן אלון – שיעורים פרטיים ומרתונים = 𝑣 𝑣, = 𝑣 054-5-290106 1 [email protected] הנורמה של 𝑣 שונה מ ,1 -ולכן אינו וקטור יחידה .כדי להפוך את וקטור 𝑣 לוקטור יחידה נבצע נירמול: 1 2 , 𝑣 2,2 = = 𝑣 8 1 2 1, −2 נחשב את הנגזרות המכוונת של 𝑓 בנקודה =𝑣 בכיוון וקטור 1 2 , 1 2 = 𝑣: 𝑓𝜕 𝑓𝜕 𝑓𝜕 21 1 2 1 19 = 1, −2 1, −2 ∙ 𝑣1 + ∙ 1, −2 ∙ 𝑣2 = 2 ∙− 2 = 𝑣𝜕 𝑥𝜕 𝑦𝜕 𝑒 𝑒 2 2 𝑒2 2 תרגילים עבור הפונקציה 𝑦 𝑓 𝑥,בדוגמא הנ"ל חשב: .1נגזרת מכוונת של .2נגזרת מכוונת של .3נגזרת מכוונת של 𝑣 = 1,0בנקודה 𝑣 = 0,1בנקודה 𝑣 = 1,1בנקודה 𝑦 𝑓 𝑥,בכיוון וקטור 𝑦 𝑓 𝑥,בכיוון וקטור 𝑦 𝑓 𝑥,בכיוון וקטור 0,0 0,0 0,0 פתרונות 1 .1 3 .2 .3 3 2 הגדרה – גרדיאנט הגרדיאנט של פונקציה 𝑦 𝑓 𝑥,בנקודה 𝑏 𝑎, 𝑏 ∇𝑓 𝑎,והוא וקטור הנגזרת החלקיות מסומן של 𝑓 המוגדר ע"י: 𝑓𝜕 𝑓𝜕 𝑎, 𝑏 , 𝑏 𝑎, 𝑥𝜕 𝑦𝜕 מתקיים 𝑎, 𝑏 ∙ 𝑣2 𝑓𝜕 𝑦𝜕 𝑎, 𝑏 ∙ 𝑣1 + 𝑓𝜕 𝑥𝜕 = 𝑏 𝑎, 𝑓𝜕 𝑣𝜕 = 𝑏 ∇𝑓 𝑎, .נרשום משוואה זו כמכפלה סקלרית ונקבל: 𝑓𝜕 𝑣 ∙ 𝑏 𝑎, 𝑏 = ∇𝑓 𝑎, 𝑣𝜕 הזווית בין שני וקטורים 𝑢 𝑣 ,מוגדרת ע"י: 𝜃 cos 𝑏 ∙ 𝑣 cos 𝜃 = ∇𝑓 𝑎, 𝑣∙u 𝑣 ∙ 𝑢 = 𝜃 .cosולכן: 𝑓𝜕 𝑏 𝑎, 𝑏 = ∇𝑓 𝑎, 𝑏 ∙ 𝑣 = ∇𝑓 𝑎, 𝑣𝜕 מהמשוואה האחרונה ניתן לראות כי הנגזרת המכוונת המקסימאלית מתקבלת כאשר cos 𝜃 = 1 בכיוון 𝑏∇𝑓 𝑎, 𝑏∇𝑓 𝑎, = 𝑢 והערך המקסימאלי הוא 𝑏 . ∇𝑓 𝑎, הנגזרת המכוונת המינימאלית מתקבלת כאשר cos 𝜃 = −1בכיוון המקסימאלי הוא 𝑏∇𝑓 𝑎, 𝑏∇𝑓 𝑎, 𝑢 = −והערך 𝑏 .− ∇𝑓 𝑎, © באומן אלון – שיעורים פרטיים ומרתונים 054-5-290106 2 [email protected] דוגמא נתונה הפונקציה 𝑥 .𝑓 𝑥, 𝑦 = 𝑥 3 𝑦 + 2נמצא וקטור יחידה בכיוון שבו 𝑓 גדלה במהירות המירבית בנקודה . 0,2ונחשב את קצב השינוי של 𝑓 בנקודה זו. הכיוון שבו 𝑓 גדלה במהירות המירבית הוא: ∇𝑓 0,2 ∇𝑓 0,2 = 𝑏 ∇𝑓 𝑎, 𝑏 ∇𝑓 𝑎, נחשב את הגרדיאנט של 𝑓 ואת הנורמה שלו בנקודה = 3𝑥 2 𝑦 + 2, 𝑥 3 בנקודה 0,2 נקבל: =𝑢 : 0,2 𝑓𝜕 𝑓𝜕 𝑎, 𝑏 , 𝑏 𝑎, 𝑥𝜕 𝑦𝜕 .∇𝑓 0,2 = 2,0מתקיים= 2 : = 𝑏 ∇𝑓 𝑎, , ∇𝑓 0,2ולכן קיבלנו כי וקטור היחידה שבו 𝑓 גדלה במהירות המירבית בנקודה השינוי המירבי בנקודה זו הוא. ∇𝑓 0,2 = 2 : © באומן אלון – שיעורים פרטיים ומרתונים 054-5-290106 3 = 1,0 0,2 2,0 2 הוא = ∇𝑓 0,2 ∇𝑓 0,2 = 𝑢. 𝑢 = 1,0וקצב [email protected]