Eigenschaften des Gradienten

Satz 165Y (Gradient als Vektor steilsten Anstieges)

Sei f:DRf:D\rightarrow\R eine Funktion mehrerer Veränderlicher und DRnD\subset\R^n offen, ff in xDx\in D differenzierbar. Dann gilt: Ist gradf(x)=0\grad f(x)=0, so verschwinden alle Richtungsableitungen in xx. Ist gradf(x)0\grad f(x)\neq 0 , so gibt es unter allen Richtungsableitungen fh(x)\dfrac{\partial f}{\partial h}(x) mit h2=1||h||_2 =1 eine größte, nämlich die des Gradienten gradf(x)\grad f(x) mit fh(x)=gradf(x)2\dfrac{\partial f}{\partial h}(x)=||\grad f(x)||_2.

Beweis

fh(x)=(gradf(x))h\dfrac{\partial f}{\partial h}(x)=(\grad f(x))h (Satz 165X) fh(x) \left|\dfrac{\partial f}{\partial h}(x)\right| =i=1nfxi(x)hi = \left|\sum\limits_{i=1}^n \dfrac{\partial f}{\partial x_i}(x)h_i\right| i=1nfxi(x)2i=1nhi2 \leq \sqrt{\sum\limits_{i=1}^n \left|\dfrac{\partial f}{\partial x_i}(x)\right|^2}\sqrt{\sum\limits_{i=1}^n |h_i|^2} (Cauchy-Schwarzsche Ungleichung) =gradf(x)2h2 = ||\grad f(x)||_2||h||_2=gradf(x)2 = ||\grad f(x)||_2 für h2=1 ||h||_2=1. Damit ist jede Richtungsableitung kleiner als diejenige in Richtung des Gradienten, und in dieser Richtung h0:=gradf(x)gradf(x)2h_0:=\dfrac{\grad f(x)}{||\grad f(x)||_2} gilt: fh0\dfrac{\partial f}{\partial h_0}=(gradf(x))h0 =(\grad f(x))h_0=(gradf(x))(gradf(x)gradf(x)2) =\left(\grad f(x)\right) \left(\dfrac{\grad f(x)}{||\grad f(x)||_2}\right)=gradf(x)22gradf(x)2 = \dfrac{||\grad f(x)||_2^2}{||\grad f(x)||_2}=gradf(x)2 =||\grad f(x)||_2 Da die Richtungsableitungen stets kleiner als der Gradient sind, gilt außerdem die Behauptung aus dem ersten Teil des Satzes. \qed

Bemerkungen

Der Vektor gradf\uminus \grad f liefert die kleinste Richtungsableitung. Vektoren, die senkrecht auf dem Gradienten stehen, haben die Richtungsableitung 00 (Wegen f(a)v=0f\, '(a)\cdot v=0 und Satz 165X)

Anwendung in der Näherungsrechnung

Sei f:DRnRf:D\subset\R^n\rightarrow \R differenzierbar, dann gilt f(a+h)=f(a)h+r(h)f(a+h)=f'(a)h+r(h) mit r(h)h0 \dfrac{r(h)}{||h||}\, \rightarrow 0
Für "kleine" hh , d.h. h0||h||\approx 0, ist eine Näherung für f(a+h)f(a+h) die Formel
f(a+h)f(a)+f(a)hf(a+h)\approx f(a)+f'(a)h=f(a)+(gradf(a))h =f(a)+(\grad f(a))h
In Komponenten:
f(a1+h1,,an+hn)f(a1,,an)+i=1nfxi(ai)hif(a_1+h_1,\dots,a_n+h_n)\approx f(a_1,\dots,a_n)+ \sum\limits_{i=1}^n \dfrac{\partial f}{\partial x_i}(a_i)h_i.
Damit wird der Unterschied f(a+h)f(a)f(a+h)-f(a) für "kleine" hh durch den Ausdruck fx1(a)h1++fxn(a)hn=f(a)h\dfrac{\partial f}{\partial x_1}(a)h_1+\cdots+\dfrac{\partial f}{\partial x_n}(a)h_n=f'(a)h annähernd gegeben. Auf dieser Formel beruht die Fehlerrechnung. Für kleine tRt\in\R und hRh\in\R mit h2=1||h||_2=1 wird der Unterschied f(a+th)f(a)(gradf(x))thf(a+th)-f(a)\approx (\grad f(x))th am grössten für h=gradf(a)gradf(a)2h=\dfrac{\grad f(a)}{||\grad f(a)||_2} , d.h. die Richtung des Gradienten.
 
 

Strukturen sind die Waffen der Mathematiker.

N. Bourbaki

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