方向导数计算公式的推导
精品课件-电磁场与电磁波-第1章
第1章 矢量分析基础
1.1 矢量分析 1.2 场论 1.3 标量场的方向导数和梯度 1.4 矢量场的通量及散度 1.5 矢量场的环量和旋度 1.6 亥姆霍兹定理 1.7 圆柱坐标系和球坐标系
第1章 矢量分析基础 1.1 矢量分析 矢量分析讨论矢性函数的求导、积分等内容，它是矢量代 数的继续，也是场论的基础。在物理学和工程实际中，许多物 理量本身就是矢量，如电场强度、磁场强度、流体的流动速度、 物质的质量扩散速度及引力等。采用矢量分析研究这些量是很 方便的。有些物理量本身是标量，但是描述它们的空间变化特 性用矢量较为方便。如物体的引力势，描述它的空间变化就需 要用引力。再比如，空间的电位分布，描述其变化采用电场强 度较为方便。
记为
，u 即
l M0
u lim u(M ) u(M0 )
l M0 M M0
M0M
(1-7)
第1章 矢量分析基础 图1-6 梯度和方向导数
第1章 矢量分析基础
2. 方向导数的计算公式
设有向线段l的单位矢量为l°=l/l，这个单位矢量的方
向余弦为(cosα, cosβ, cosγ)，则标量场在某点的方向导
第1章 矢量分析基础
例1-1 若两个点电荷产生的电位 u(x, y, z) kq kAq r r1
为 r x2 y2 z2 r1 ,其(x a)2 y2 z2
中
，
，A、q和k是常数。求
电位等于零的等位面方程。
解 令u＝0，则有1/r=A/r1，即Ar=r1, 左右同时平方, 得
(xA2(x2a+y2+)z22)=(yx2+a)z22+y2+z2A2a 2
若问题的本身就是两个变量的函数，这种情形叫做平面标 量场。此时，标量场一般可以写为u(x，y)。标量场具有相同 数值的点，就组成标量场的等值线，等值线方程为
大学高等数学公式大全
高等数学公式·平方关系：sin^2(α)+cos^2(α)=1tan^2(α)+1=sec^2(α)cot^2(α)+1=csc^2(α)·积的关系：sinα=tanα*cosαcosα=cotα*sinαtanα=sinα*secαcotα=cosα*cscαsecα=tanα*cscαcscα=secα*cotα·倒数关系：tanα·cotα=1sinα·cscα=1cosα·secα=1直角三角形ABC中,角A的正弦值就等于角A的对边比斜边,余弦等于角A的邻边比斜边正切等于对边比邻边,·三角函数恒等变形公式·两角和与差的三角函数：cos(α+β)=cosα·cosβ-sinα·sinβcos(α-β)=cosα·cosβ+sinα·sinβsin(α±β)=sinα·cosβ±cosα·sinβtan(α+β)=(tanα+tanβ)/(1-tanα·tanβ)tan(α-β)=(tanα-tanβ)/(1+tanα·tanβ)·三角和的三角函数：sin(α+β+γ)=sinα·cosβ·cosγ+cosα·sinβ·cosγ+cosα·cosβ·sinγ-sinα·sinβ·sinγcos(α+β+γ)=cosα·cosβ·cosγ-cosα·sinβ·sinγ-sinα·cosβ·sinγ-sinα·sinβ·cosγtan(α+β+γ)=(tanα+tanβ+tanγ-tanα·tanβ·tanγ)/(1-tanα·tanβ-tanβ·tanγ-tanγ·tanα)·辅助角公式：Asinα+Bcosα=(A^2+B^2)^(1/2)sin(α+t)，其中sint=B/(A^2+B^2)^(1/2)cost=A/(A^2+B^2)^(1/2)tant=B/AAsinα+Bcosα=(A^2+B^2)^(1/2)cos(α-t)，tant=A/B·倍角公式：sin(2α)=2sinα·cosα=2/(tanα+cotα)cos(2α)=cos^2(α)-sin^2(α)=2cos^2(α)-1=1-2sin^2(α)tan(2α)=2tanα/[1-tan^2(α)]·三倍角公式：sin(3α)=3sinα-4sin^3(α)cos(3α)=4cos^3(α)-3cosα·半角公式：sin(α/2)=±√((1-cosα)/2)cos(α/2)=±√((1+cosα)/2)tan(α/2)=±√((1-cosα)/(1+cosα))=sinα/(1+cosα)=(1-cosα)/sinα·降幂公式sin^2(α)=(1-cos(2α))/2=versin(2α)/2cos^2(α)=(1+cos(2α))/2=covers(2α)/2tan^2(α)=(1-cos(2α))/(1+cos(2α))·万能公式：sinα=2tan(α/2)/[1+tan^2(α/2)]cosα=[1-tan^2(α/2)]/[1+tan^2(α/2)]tanα=2tan(α/2)/[1-tan^2(α/2)]·积化和差公式：sinα·cosβ=(1/2)[sin(α+β)+sin(α-β)]cosα·sinβ=(1/2)[sin(α+β)-sin(α-β)]cosα·cosβ=(1/2)[cos(α+β)+cos(α-β)]sinα·sinβ=-(1/2)[cos(α+β)-cos(α-β)]·和差化积公式：sinα+sinβ=2sin[(α+β)/2]cos[(α-β)/2]sinα-sinβ=2cos[(α+β)/2]sin[(α-β)/2]cosα+cosβ=2cos[(α+β)/2]cos[(α-β)/2]cosα-cosβ=-2sin[(α+β)/2]sin[(α-β)/2]·推导公式tanα+cotα=2/sin2αtanα-cotα=-2cot2α1+cos2α=2cos^2α1-cos2α=2sin^2α1+sinα=(sinα/2+cosα/2)^2·其他：sinα+sin(α+2π/n)+sin(α+2π*2/n)+sin(α+2π*3/n)+……+sin[α+2π*(n-1)/n]=0cosα+cos(α+2π/n)+cos(α+2π*2/n)+cos(α+2π*3/n)+……+cos[α+2π*(n-1)/n]=0 以及sin^2(α)+sin^2(α-2π/3)+sin^2(α+2π/3)=3/2tanAtanBtan(A+B)+tanA+tanB-tan(A+B)=0三角函数的角度换算[编辑本段]公式一：设α为任意角，终边相同的角的同一三角函数的值相等：sin（2kπ＋α）＝sinαcos（2kπ＋α）＝cosαtan（2kπ＋α）＝tanαcot（2kπ＋α）＝cotα公式二：设α为任意角，π+α的三角函数值与α的三角函数值之间的关系：sin（π＋α）＝－sinαcos（π＋α）＝－cosαtan（π＋α）＝tanαcot（π＋α）＝cotα公式三：任意角α与-α的三角函数值之间的关系：sin（－α）＝－s inαcos（－α）＝cosαtan（－α）＝－tanαcot（－α）＝－cotα公式四：利用公式二和公式三可以得到π-α与α的三角函数值之间的关系：sin（π－α）＝sinαcos（π－α）＝－cosαtan（π－α）＝－tanαcot（π－α）＝－cotα公式五：利用公式一和公式三可以得到2π-α与α的三角函数值之间的关系：sin（2π－α）＝－sinαcos（2π－α）＝cosαtan（2π－α）＝－tanαcot（2π－α）＝－cotα公式六：π/2±α及3π/2±α与α的三角函数值之间的关系：sin（π/2＋α）＝cosαcos（π/2＋α）＝－sinαtan（π/2＋α）＝－cotαcot（π/2＋α）＝－tanαsin（π/2－α）＝cosαcos（π/2－α）＝sinαtan（π/2－α）＝cotαcot（π/2－α）＝tanαsin（3π/2＋α）＝－cosαcos（3π/2＋α）＝sinαtan（3π/2＋α）＝－cotαcot（3π/2＋α）＝－tanαsin（3π/2－α）＝－cosαcos（3π/2－α）＝－sinαtan（3π/2－α）＝cotαcot（3π/2－α）＝tanα(以上k∈Z)部分高等内容[编辑本段]·高等代数中三角函数的指数表示(由泰勒级数易得)：sinx=[e^(ix)-e^(-ix)]/(2i) cosx=[e^(ix)+e^(-ix)]/2 tanx=[e^(ix)-e^(-ix)]/[ie^(ix)+ie^(-ix)]泰勒展开有无穷级数，e^z=exp(z)＝1＋z/1！＋z^2/2！＋z^3/3！＋z^4/4！＋…＋z^n/n！＋…此时三角函数定义域已推广至整个复数集。
沿任意方向的方向导数与连续
不存在全微分.
此例既说明函数在一个定点沿任意方向的方向
导数存在 ,并不能保证函数在此点连续 , 同时我们也 可以看到 ,一个函数即使沿任一直线连续也不能就此 断言函数在此点连续.
参考文献
[ 1 ] 沈永红 ,高忠社. 多元函数微分学中几个基本概念之间的 关系[J ] . 高等数学研究 ,2009 , (12) 2 :33 - 36.
[ 2 ] 武忠祥. 工科数学分析基础教学辅导书 (下册) [ M ] . 北京 : 高等教育出版社 ,2007 :223.
所以
d
=|
( r1
- r0 ) ·( a b) | | a ×b |
,
将 (5) , (7) , (8) , (9) 式代入 ,即可得距离公式 (2) .
研究点到平面间距离公式的推导 ,对于理解和掌
[ 3 ] 吕林根 ,许子道. 解析几何[ M ] . 4 版. 北京 :高等教育出版 社 ,2006 :106 - 108.
5f 5n
(0 ,0)
= lim f ( tco sα, tco sβ)
t →0 +
t
=
lim
t →0 +
co sαco s2β co s2α+ t2 co s4β
=
ccoossα2β, co sα ≠0 ,
0,
co sα = 0.
收稿日期 :2009 - 04 - 15 ;修改日期 :2010 - 01 - 23. 作者简介 :吴华安 (1954 - ) ,男 ,湖北安陆人 ,硕士 ,副教授 ,从事代数拓
等 ,使人们进一步认识到平面向量式方程的作用 , 看 到了向量的数量积 、向量积 、混合积在讨论平面问题 中的重要应用.
张量与连续介质力学基本公式总结
第一章：矢量和张量重要矢量等式：()()()⨯⨯=⋅-⋅c a b b c a a c b 指标记法：哑指标求和约定 自由指标规则 协变基底和逆变基底：张量概念i i'i'i β=g g i'i'i i β=g gi'i'i i v v β= i i 'i 'iv v β= i'j'i'j'k l ij..k'l'i j k'l'..kl T T ββββ= i i i i v v ==v g g ..kl i j ij k l T =⊗⊗⊗T g g g g度量张量ij i i i j i i g =⊗=⊗=⊗G g g g g g g⋅=⋅=⋅=⋅=v G G v vT G G T T.j kj i ik T T g =张量的商法则lm ijk T(i,j,k,l,m )S U = ijk...lm T(i,j,k ,l,m )T =置换符号i i ir s t j j j ijk ijk ijkr s t rst rst rstk k kr s t e e δδδδδδεεδδδδ=== ijk j k j k jk ist s t t s st δδδδδδ=-2ijk k ijt t δδ= 6ijk ijk δ=置换张量i j k ijk ijk i j k εε=⊗⊗=⊗⊗εg g g g g gijk i j k ijk ()e ε=⋅⨯=g g gijkijki j k ()ε=⋅⨯=g g g ()::()i j k ijk ijk i j k a b a b εε⨯===⊗=⊗a b g g a b εεa b第二章： 二阶张量重要性质：T =T.u u.T 主不变量1.()i i Tr T ζ==T 212i j l ml m .i .j T T ζδ= 3()det ζ=T1()()(())(())()ζ⋅⋅⨯⋅⋅⨯⋅⨯⋅=⋅⨯T u v w +u T v w +u v T w u v w2)[)][()(]()[()]()ξ⋅⋅⋅⨯⋅⋅⨯⋅⋅⋅⨯⋅=⋅⨯T u (T v w +u T v T w)+T u (v T w u v w （()[()()]det()()⋅⋅⋅⨯⋅=⋅⨯T u T v T w T u v w标准形1. 特征值、特征向量λ⋅=T v v ()λ-⋅=T G v 0 321230λζλζλζ-+-= 2. 实对称二阶张量标准形123112233i iλλλ=⋅⊗=⊗+⊗+⊗N N g g g g g g g g 3. 正交张量（了解方法）12112233(cos()sin())(sin()cos())ϕϕϕϕ=+⊗+-+⊗+⊗R e e e e e e e e4. 反对称二阶张量的标准形21123μμμ=⊗-⊗=⨯Ωe e e e e G⋅=⨯Ωu ωu31:2μ=-=⨯ωεΩe u=-⋅Ωεω 5. 正则张量极分解 =⋅=⋅T R U V R第三章 张量函数概念：各项同性张量函数、解析函数 计算 e T sin()T 重要定理：1. Hamilton-Cayley 定理：32321231230λςλςλςςςς-+-=⇒-+-=T T T G 0 2.对称各向同性张量函数表示定理：2012()f k k k ==++H N G N N ；其中T T ;==H H N N ；而系数i k 是N 的主不变量的函数。
传热学第二章
△n
Δn0 Δn n
温度梯度和热流密度
•温度梯度是向量，垂直于等温面， 正向朝着温度增加的方向；
•温度梯度的方向是温度变化率最大的方向。
t t n m
温度梯度的解析定义：
温度场 t f (x, y, z) 中点(x, y, z) 处的温度梯度：
gradt t i t j t k x y z
温度梯度垂直于等温面吗？
设等温面方程： t f (x, y, z) c 在点 (x, y, z)处,等温面的法线向量n n ( t , t , t ) x y z gradt 平行于 n
梯度方向垂直于等温面。
两个定义一致，解析定义便于计算
（4） 热流密度
热流密度是指单位时间经过单位面积所传递的热量，用 q 表示，单位为 W / m2。
根据上面的条件可得：
x
(
t ) x
y
(
t ) y
z
(
t z
)
qv
(cp t)
d 2t dx2
0
第一类边界条件：
x 0,t t1
x ,t t2
直接积分：
dt dx
c1
带入边界条件：
t c1x c2
c1
t2
t1
c2 t1
t
t2
t1
x
t1
dt t2 t1
dx
带入傅里叶定律得
t y
qz
t z
对于一维导热问题：
q dt
dx
3 导热系数
导热系数的定义式可由傅立叶定律的表达式得出
q t n
n
(1)物理意义：
表示了物质导热能力的大小，是在单位温度梯度作用下 的热流密度。工程计算采用的各种物质的导热系数值都是由 专门实验测定出来的。
第1章矢量分析
F dS S
S1 F dS1
S2 F dS2
S3 F dS3
S4 F dS4
S5 F dS5
S6 F dS6
aˆx aˆz 0, aˆy aˆy 1,
aˆy aˆz 0 aˆz aˆz 1
A B (Axaˆx Ayaˆy Azaˆz ) (Bxaˆx Byaˆy Bzaˆz )
Ax Bx Ay By Az Bz
•结论: 两矢量点积等于对应分量的乘积之和。
电磁场与电磁波
第1章 矢量分析
其中：dl ,dS 和 dV 称为微分元。
dS
dl
1. 直角坐标系
在直角坐标系中，坐标变量为(x,y,z)，如图，做一微分体元。
线元：dlx dxaˆx
dly dyaˆy
面元： dSx dydzaˆx dSy dxdzaˆy
dlz dzaˆz dl dxaˆx dyaˆy dzaˆz
电磁场与电磁波
第1章 矢量分析
3.乘法：
（1）标量与矢量的乘积：
k 0 方向不变，大小为|k|倍
kA k | A | aˆ
k
0
k 0 方向相反，大小为|k|倍
（2）矢量与矢量乘积分两种定义
a. 标量积（点积）：
B
A B | A| | B | cos
A
两矢量的点积含义： 一矢量在另一矢量方向上的投影与另一矢量模的乘积，
定义： A BC | A|| B || C | sin cos
含义： 标量三重积结果为三矢量构成
的平行六面体的体积 。
h BC
A C
B
电磁场与电磁波
第1章 矢量分析
V A (BC) C (A B) B (C A)
讲2梯度散度
1.标量场的等值面 1. 标量场的等值面
等值面: 标量场取得同一数值的点在空 等值面: 间形成的曲面。 间形成的曲面。 等值面方程： 等值面方程： u(x, y, z) = C 等值面的特点： 等值面的特点： • 常数 取一系列不同的值，就得到一系列 常数C 取一系列不同的值， 不同的等值面，形成等值面族； 不同的等值面，形成等值面族； • 标量场的等值面充满场所在的整个空间； 标量场的等值面充满场所在的整个空间； • 标量场的等值面互不相交。 标量场的等值面互不相交。
点的坐标为(x,y,z)，P’点的坐标为 点的坐标为(x’,y’,z’)， R为空间 与 为空间P与 例1.3.2 P点的坐标为 点的坐标为 ， 点的坐标为 ， 为空间 P’点之间的距离，R≠0。求： (1)∇R 点之间的距离， 点之间的距离 。
r r r r r = xex + yey + zez
等值面族
u=c1 u=c2 u=c3
等位面
2. 方向导数 u(M) − u(M0 ) ∂u = lim ∂l M0 M→M0 MM0
多元函数导数
多元函数导数多元函数是我们在学习数学中经常要研究的一种函数，与单变量函数不同，多元函数是指在多个自变量条件下，函数的输出取值。
多元函数导数就是解决多元函数的变化率问题，也是高等数学中的一大难点。
本文将介绍多元函数导数的基本概念、导数的计算方法以及应用。
一、多元函数导数的概念多元函数导数是指函数在某一点处沿着某一方向的变化率。
对于一元函数，导数表示函数在该点处的斜率，而对于多元函数，则需要更加复杂的概念。
我们在定义多元函数导数之前，先来看一下偏导数。
偏导数是指多元函数对于每个自变量求导所得到的导数。
偏导数被定义为函数在该变量上的变化率，而其他变量被视为常数。
多元函数的偏导数有时也可以表示为∂f/∂x 或∂f/∂y 等等。
局部常数斜率的向量被称为方向导数。
在二维空间中，方向导数只有两个，因此是一个标量。
但是在高维空间中，方向导数的数量很多，因此需要使用一个向量来表示。
多元函数在某一点处的导数也可以表示为该点的梯度向量。
梯度向量表示函数在该点处变化最快的方向。
梯度的大小等于变化率的大小，而梯度的方向则指示变化最快的方向。
二、多元函数导数的计算方法计算多元函数导数可以使用偏导数和梯度向量。
通过偏导数，我们已经了解到多元函数在每个自变量方向上的变化率，但是这并不足够描述多元函数的导数。
首先，需要计算函数在每个自变量方向上的变化率，然后将所有的变化率相加。
这一过程通常使用梯度向量来完成。
例如，对于二元函数f(x,y)，其梯度向量表示为:∇f(x,y) = (∂f/∂x , ∂f/∂y)在计算多元函数导数时，需要沿着梯度向量的方向求解。
假设我们有一个向量v，其方向与梯度向量相同，那么多元函数在该点处的导数可以表示为:Df(x,y)(v) = ∇f(x,y)·v其中“·” 表示向量的点积。
在此公式中，我们已经将梯度向量转化为一个输入向量v，这样导数的计算就成为了一个标量乘法的过程。
三、多元函数导数的应用多元函数导数在数学中有着广泛的应用，许多领域都会用到多元函数导数理论，如物理、工程学、经济学等。
《电磁场与电磁波》笔记和课后习题(含考研真题)详解
第1章矢量分析1.1复习笔记一、标量场和矢量场1.一个只用大小描述的物理量为标量。
若所研究的物理量为一标量，则该物理量所确定的场为标量场，如温度场，密度场等。
用一个标量函数来表示该场为2.一个既有大小又有方向特性的物理量为矢量。
若所研究的物理量为一矢量，则该物理量所确定的场为矢量场，如力场、电场等。
用一个矢量函数来表示该场为二、标量场的方向导数与梯度1.在直角坐标系中方向导数的计算公式为式中，是方向l的方向余弦。
特点：方向导数既与所研究的点有关，也与方向有关。
2.标量场的梯度是一个矢量，在直角坐标系中，梯度的表达式为在柱坐标系和球坐标系中，梯度的表达式为标量场的梯度意义：描述标量场在某点的最大变化率及其变化最大的方向。
3.梯度运算的基本公式：三、矢量场的散度与旋度1.散度矢量通过包含该点的任意闭合小曲面的通量与曲面元体积之比的极限。
矢量场的散度是个标量，在直角坐标系、圆柱坐标系及球坐标系中的计算式分别为2.散度定理（高斯定理）矢量场F的散度在体积V上的体积分，等于矢量场F在限定该体积的闭合面S上的面积分。
3.旋度旋涡源密度矢量。
矢量场的旋度是个矢量，在直角坐标系、圆柱坐标系及球坐标系中分别表示为4.斯托克斯定理矢量场F的旋度在曲面S上的面积分等于矢量场F在限定曲面的闭合曲线C上的线积分。
四、无旋场与无散场1.仅有散度源而无旋度源的矢量场为无旋场，如静电场，。
梯度矢量的重要性质：它的旋度恒等于零，即。
2.仅有旋度源而无散度源的矢量场为无散场，如恒定磁场，。
旋度矢量的重要性质：它的散度恒等于零，即。
五、格林定理1.格林第一恒等式2.格林第二恒等式3.格林定理的应用：（1）利用格林定理可以将区域中场的求解问题转变为边界上场的求解问题。
（2）格林定理反映了两种标量场之间满足的关系。
因此，如果已知其中一种场的分布，即可利用格林定理求解另一种场的分布。
六、亥姆霍兹定理在有限区域V内，任一矢量场由它的散度、旋度和边界条件唯一地确定，且可表示为：1.2课后习题详解（一）思考题1.1如果A·B＝A·C，是否意味着B＝C？为什么？答：并不意味着B＝C。
基本初等函数的导数公式的推导过程
基本初等函数的导数公式的推导过程1.常数函数的导数：常数函数的导数为0。
这可以通过导数的定义来证明。
假设常数函数为f(x) = C，其中C是一个常数。
导数的定义为f'(x) = lim(h->0)[f(x+h)-f(x)]/h，将f(x) = C代入该式，可得f'(x) = lim(h->0) [C - C]/h = 0。
2.幂函数的导数：幂函数的导数可以使用幂函数的定义和导数的定义来推导。
假设幂函数为f(x) = x^n，其中n是一个正整数。
根据导数的定义，可以计算出f'(x) = lim(h->0) [f(x+h)-f(x)]/h。
将f(x) = x^n代入该式，有f'(x) = lim(h->0) [(x+h)^n -x^n]/h。
可以采用二项式定理展开分子表达式：(x+h)^n = C(n, 0)x^n + C(n, 1)x^(n-1)h + C(n, 2)x^(n-2)h^2 + ... + C(n, n-1) xh^(n-1) + h^n其中C(n,k)表示从n中选取k个元素的组合数。
因此，分子展开为[(x+h)^n-x^n]/h=C(n,1)x^(n-1)+C(n,2)x^(n-2)h+...+C(n,n-1)h^(n-1)+h^n可以观察到，在这个表达式中，只有第一项不含h，其他项都有h的幂次方。
因此，当h趋近于0时，这些含有h的幂次方都会趋近于0，只剩下第一项C(n, 1)x^(n-1)，即f'(x) = C(n, 1)x^(n-1) = nx^(n-1)。
3.指数函数和对数函数的导数：指数函数和对数函数的导数可以通过化简导数的定义来推导。
假设指数函数为f(x) = a^x，其中a是一个正实数且不等于1、对于任意实数x和x+h，有f'(x) = lim(h->0) [f(x+h)-f(x)]/h。
将f(x) = a^x代入该式，有f'(x) = lim(h->0) [a^(x+h)-a^x]/h。