数学基础

数学基础

梯度

在数学中,笛卡尔坐标系下抛物面长这样子(它的胖瘦可以任意收缩):

数学中的抛物面

既然抛物面已经放进了数学坐标系里,那么我们能用数字符号描述它,你知道它的数学表达式是什么吗?

抛物面数学表达式

用这个公式可以描述所有的抛物面(包括卫星锅,近视眼镜片),ab任意常数。

梯度,我们用符号grad(f)来表示,gradgradient的缩写,f是函数表达式的概括,具体问题具体分析。

抛物面的梯度grad是什么呢?

算抛物面梯度的公式,它长这样子:

抛物面公式带进去,你就能得到:

x的导数是2x,y的导数是2y

式中i 和 j 分别x轴 和 y轴基向量,它代表的矢量为单位1。

这个表达式什么意义呢?它告诉我们,

在x轴方向上抛物面是按照这个公式进行变化的

在y轴方向上,抛物面是按照这个公式进行变化的:

现在,让我们稍微专业一些:

我们引入梯度定义

二维梯度的定义

三维梯度的定义,只是增加了k方向

再引入方向导数的概念,它的意义是:指定一个你要研究的方向,在你要研究的这个方向上梯度grad是如何变化的。

你要研究的曲面部位可以用这个e向量指向。

请大家仔细研究这张图:

直观的梯度:

小球在抛物碗上方下落,箭头反应的就是它的梯度变化

通过MATLAB得到的梯度直观变化图:图中有x,y,z三个方向,

链式法则

示例说明: 我们先以简单的复合函数为例来说明这个过程。

Hessian矩阵