n変数ベクトル値関数の方向微分可能・方向微分係数・導関数の定義:トピック一覧  

 ・定義:方向微分可能・方向微分係数/方向導関数 
 ・定理:
方向微分係数の計算公式  

※関連ページ
 ・微分定義−
n変数ベクトル値関数:偏微分の定義/微分の定義/ヤコビ行列とヤコビアン  
 ・
n変数ベクトル値関数微分の応用:
 ・方向微分定義−n変数ベクトル値関数以外: 2変数関数の方向微分/ n変数実数値関数の方向微分
 ・n変数ベクトル値関数の諸概念―微分以外: n変数ベクトル値関数の定義と属性/極限/連続/極限の性質 
→
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定義:n変数ベクトル値関数は点A=(a1, a2, …,an)で方向微分可能・点A=(a1, a2, …,an)における方向微分係数 

定義

[角度で方向を指定する場合の方向微分の定義−ベクトルを使わない表現]

・「 n変数ベクトル値関数(y1,y2,…,ym)=f (x1,x2,…,xn )は、点(a1, a2, …,an)において、
   
x1軸プラス方向に対して角度θ1方向 
   
x2軸プラス方向に対して角度θ2方向 
   :            :   
   
xn軸プラス方向に対して角度θn方向   
  
に方向微分可能である」
 とは、
 
1変数ベクトル値関数
   
(y1,y2,…,ym)=φ (t)=f (a1+t cosθ1 , a2+t cosθ2 , …, an+t cosθn) 
 について、
 
t =0における右微分係数 
   すなわち、
   有限な
右極限値
    

    

が存在することを言う。

・ n変数ベクトル値関数 (y1,y2,…,ym)=f (x1,x2,…,xn )は、点(a1, a2, …,an)において
   
x1軸プラス方向に対して角度θ1方向 
   
x2軸プラス方向に対して角度θ2方向 
   :            :   
   
xn軸プラス方向に対して角度θn方向   
  に微分可能であるとき、
 「
f (x1,x2,…,xn )の点(a1, a2, …,an)における
   
x1軸プラス方向に対して角度θ1方向 
   
x2軸プラス方向に対して角度θ2方向 
   :            :   
   
xn軸プラス方向に対して角度θn方向
   
の方向微分係数」 
 とは、
 
1変数ベクトル値関数
   
(y1,y2,…,ym)=φ(t)=f (a1+t cosθ1 , a2+t cosθ2 , …, an+t cosθn) 
 の、
 
t =0における右微分係数 
   すなわち、
   有限な
右極限値
    

    

 のことをいう。

[文献−数学]
・杉浦『解析入門』�U§3定義1 (p.107):n変数m値ベクトル値関数;
・
※
方向微分係数の計算公式
※
2変数関数の方向微分


[角度で方向を指定する場合の方向微分の定義−ベクトル表現]

・「 y= f ( x) は 実n次元数ベクトルaにおいて
   
x1軸プラス方向に対して角度θ1方向 
   
x2軸プラス方向に対して角度θ2方向 
   :            :   
   
xn軸プラス方向に対して角度θn方向
  
に微分可能」
 とは、
 
実n次元数ベクトル e=( cosθ1 , cosθ2 , …, cosθn ) にたいして、
 有限な
右極限値
  

 が存在することをいう。
  
* hは実数、 
   
heは、実n次元数ベクトルeのスカラー倍、
   
a+he(θ) は、aとh eとのベクトル和を表す。 

・y= f ( x)は実n次元数ベクトルaにおいて
   
x1軸プラス方向に対して角度θ1方向 
   
x2軸プラス方向に対して角度θ2方向 
   :            :   
   
xn軸プラス方向に対して角度θn方向
  に微分可能であるとき、
 「
aにおけるy= f ( x )のe方向微分係数」とは、
  
e=( cosθ1 , cosθ2 , …, cosθn ) にたいする有限な右極限値
   

  のことを指す。
  
* hは実数、 
   
heは、実n次元数ベクトルeのスカラー倍、
   
a+he は、aとh eとのベクトル和を表す。 
   
・「aにおけるy= f ( x)のe方向微分係数」を、
 
e=( cosθ1 , cosθ2 , …, cosθn ) を用いて、
   
De f (a)
 と表す。 

[文献−数学]
・黒田『微分積分学』8.3.3定義8.10(pp.287) :n変数実数値関数;.



※方向微分係数の計算公式
※
2変数関数の方向微分

     
 

[単位ベクトルで方向を指定する場合の方向微分の定義]
角度θ1 ,θ2 , …,θnの代わりに、単位ベクトルを用いて方向を指定して、
方向微分を定義することもできる。
・「y= f ( x)は実n次元数ベクトルaにおいてe方向に微分可能」とは、
  
実n次元単位ベクトルe=( e1 , e2 ,…, en ) にたいして、
  有限な有限な
右極限値
   

 が存在することをいう。
  
* hは実数、 
   
heは、実n次元単位ベクトルeのスカラー倍、
   
a+ h e は、aとh eとのベクトル和を表す。

・y= f ( x)は実n次元数ベクトルaにおいてe方向に微分可能であるとき、
 「
y= f ( x )」とは、
 
実n次元単位ベクトルe=( e1 , e2 ,…, en )にたいする有限な右極限値
   

 のことを指す。
  
* hは実数、 
   
heは、実n次元単位ベクトルeのスカラー倍、
   
a+ h e は、aとh eとのベクトル和を表す。 

・「aにおけるy= f ( x)のe方向微分係数」を、
   
De f (a)
 と表す。 

[文献−数学]
・杉浦『解析入門』�U§3定義1 (p.107):n変数m値ベクトル値関数;



※
方向微分係数の計算公式
※
2変数関数の方向微分

 



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定理:n変数ベクトル値関数の方向微分係数の計算公式 − 偏微分係数から計算可能

     
 

[角度で方向を指定された方向微分係数の場合−ベクトルを使わない表現]

n変数ベクトル値関数 (y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn ) が点(a1, a2, …,an) において微分可能 ならば、
n変数ベクトル値関数 (y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn ) は、点(a1, a2, …,an)で、任意の方向に方向微分可能で、
「
(y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn ) の点(a1, a2, …,an)における
   
x1軸プラス方向に対して角度θ1方向 
   
x2軸プラス方向に対して角度θ2方向 
   :            :   
   
xn軸プラス方向に対して角度θn方向
  の
方向微分係数」
は、
  
となる。


     

 

[角度で方向を指定された方向微分係数の場合−ベクトルを使う表現]

n変数ベクトル値関数(y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn )が点(a1, a2, …,an)において微分可能ならば、
n変数ベクトル値関数(y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn )は、点(a1, a2, …,an)で、任意の方向に方向微分可能で、
「
(y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn )の点(a1, a2, …,an)における
   
x1軸プラス方向に対して角度θ1方向 
   
x2軸プラス方向に対して角度θ2方向 
   :            :   
   
xn軸プラス方向に対して角度θn方向
 の
方向微分係数」
は、
  《
( cosθ1 , cosθ2 ,…, cosθn )の縦ベクトル》の左から、 
  
点(a1, a2, …,an)における(y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn )のヤコビ行列 
  をかけた
行列積 
   
 
  となる。


[文献−数学]
・杉浦『解析入門』�U§6定理6.2-(3) (p.129)


[具体例]
・
2変数関数の方向微分の計算公式 

・n変数実数値関数の方向微分の計算公式

 

[単位ベクトルで方向を指定された方向微分係数の場合]

n変数ベクトル値関数(y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn ) が点(a1, a2, …,an)において微分可能ならば、
n変数ベクトル値関数(y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn ) は、点(a1, a2, …,an)で、任意の方向に方向微分可能で、
「
(y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn ) の点(a1, a2, …,an)におけるe =( e1 , e2 ,…, en ) 方向微分係数」De f (a1, a2, …,an)は、
  《
eの縦ベクトル》の左から、 
  
点(a1, a2, …,an)における(y1,y2,…,ym) = ( f1 (x1,x2,…,xn), f2 (x1,x2,…,xn),…, fm (x1,x2,…,xn) ) = f (x1,x2,…,xn )のヤコビ行列 
  をかけた
行列積 
   
 
  となる。

     

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定理:n変数ベクトル値関数の方向導関数 directional derivative

     
 


n変数ベクトル値関数 (y1,y2,…,ym) = f (x1,x2,…,xn )が各点でe=( e1 , e2 ,…, en )方向に微分可能であるとき、
点a=(a1, a2, …,an)においてe 方向微分係数の値は、
点a=(a1, a2, …,an)のとりかたによって変わってくるから、
点a=(a1, a2, …,an)の n変数ベクトル値関数。
n変数ベクトル値関数 (y1,y2,…,ym) = f (x1,x2,…,xn )のe方向の導関数directional derivativeとは、
この
点a=(a1, a2, …,an)に対して、a=(a1, a2, …,an)におけるe 方向微分係数の値を返す n変数ベクトル値関数
のことをいう。


[文献−数学]
・杉浦『解析入門』�U§3定義1 (p.107):n変数m値ベクトル値関数;

※ n変数実数値関数の方向導関数

     

 

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