对于函数f(x,y,z) 下列哪些陈述是正确的?A. 梯度 nabla f(x,y,z) 的方向是函数 f(x,y,z) 增长最快的方向 B. 梯度 nabla f(x,y,z) 的模表示函数 f(x,y,z) 在该点的最大变化率 C. 梯度 nabla f(x,y,z) 的方向是函数 f(x,y,z) 减少最快的方向 D. 梯度 nabla f(x,y,z) 的模表示函数 f(x,y,z) 在该点的最小变化率
A. $$ 梯度 $$ $$ $$ $$ \nabla f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 的方向是函数 $$ $$ $$ $$ f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 增长最快的方向 $$
B. $$ 梯度 $$ $$ $$ $$ \nabla f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 的模表示函数 $$ $$ $$ $$ f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 在该点的最大变化率 $$
C. $$ 梯度 $$ $$ $$ $$ \nabla f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 的方向是函数 $$ $$ $$ $$ f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 减少最快的方向 $$
D. $$ 梯度 $$ $$ $$ $$ \nabla f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 的模表示函数 $$ $$ $$ $$ f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 在该点的最小变化率 $$
题目解答
答案
A. $$ 梯度 $$ $$ $$ $$ \nabla f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 的方向是函数 $$ $$ $$ $$ f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 增长最快的方向 $$
B. $$ 梯度 $$ $$ $$ $$ \nabla f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 的模表示函数 $$ $$ $$ $$ f(x,y,z) $$ $$ $$ $$ 在该点的最大变化率 $$
解析
本题考查函数函数梯度的基本基本性质,解题思路是根据梯度的定义和性质,对每个选项逐一进行分析判断。
选项A
根据梯度的性质,函数$f(x,y,z)$在某点的梯度$\nabla f(x,y,z)=\left\frac{\frac{\partial f}{\partial x},\frac{\partial f}{\partial y},\frac{\partial f}{\partial z}}$的方向是函数$f(x,y,z)$增长最快的方向。
设$\vec{u}$是一个单位向量,函数$f(x,y,z)$在\vec{u})方向上的方向导数为$\frac{\partial f}{\partial \vec{u}}=\nabla f(x,y,z)\cdot\vec{u}$。
根据向量点积的性质$\vec{a}\cdot\vec{b}=\vert\vec{a}\vert\vert\vert\vec{b}\vert\cos\theta$(其中$\theta$是$\vec{a}$与$\vec{b}$的夹角),可得$\frac{\partial f}{\partial \vec{u}}=\vert\nabla f(x,y,z)\vert\cos\theta$。
当$\cos\theta = 1$,即$\theta = 0$时,$\frac{\partial f}{\partial \vecu}$取得最大值$\vert\nabla f(x,y,z)\vert$,此时$\vec{u}$与$\nabla f(x,y,z)$方向相同,所以梯度$\nabla f(x,y,z)$的方向是函数$f(x,y,z)$增长最快的方向,选项A正确。
选项B
由上述对选项A的分析可知,函数$f(x,y,z)$在某点的方向导数$\frac{\partial f}{\partial \vec{u}}=\vert\nabla f(x,y,z)\\vert\cos\theta$,其最大值为$\vert\nabla f(x,y,z)\vert$,即函数$f(x,y,z)$在该点的最大变化率,所以梯度$\nabla f(x,y,z)$的模表示函数$f(x,y,z)$在该点的最大变化率,选项B正确。
选项C
由选项A的分析可知,梯度$\nabla f(x,y,z)$的方向是函数$f(x,y,z)$增长最快的方向,而不是减少最快的方向,函数减少最快的方向是$-\nabla f(x,y,z)$的方向,选项C错误。
选项D
由选项B的分析可知,梯度$\vert\nabla f(x,y,z)\vert$表示函数$f(x,y,z)$在该点的最大变化率,而不是最小变化率,选项D错误。