Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Moderators: dirkwb, Xilvo

Reageer
Berichten: 84

Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Hoi,

Ik heb het gevoel dat ik een aantal begrippen door elkaar aan het halen ben, waardoor volgende opgave nog steeds niet lukt:

Bepaal de richting waarin de toename van de functie f maximaal is in het punt p en bepaal de richtingsafgeleide in deze richting.
\(f(x,y) = x^2 + xy + y^2\)
in het punt
\( \vec{p} = (-1,1)\)
Als ik het goed heb, bepaalt de gradiënt de richting waarin f maximaal toeneemt (maar niet in een punt, dit lijkt me vreemd?). De gradiënt is in dit geval (2x+y, x+2y). Dus indien we dit in punt p willen, vullen we p in de gradiënt in en krijgen we (-1,1) als uitkomst. Dus in het punt p neemt f maximaal toe in de richting (-1,1) ?

Verder vind ik het vreemd dat (-1,1) een richting kan zijn. Vanaf deze stap loop ik onnoemelijk hard vast in de redenering. In het boek staat dat als je een richtingsafgeleide in richting a van f in punt p wil berekenen, dat je dan een product moet doen van de gradiënt van f in p en richting a. Maar aangezien de richting hier de gradiënt in p zelf is, dan zouden we het product van zichzelf gaan maken?

Op wikipedia lijkt men deze te berekenen aan de hand van een eenheidsvector. Als ik zelf de eenheidsvector probeer op te stellen krijg ik
\(\frac{1}{\sqrt{2}} (-1,1)\)
, dus daar lijk ik ook ergens in de mist te gaan.

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Ik verplaats dit even naar calculus.
Als ik het goed heb, bepaalt de gradiënt de richting waarin f maximaal toeneemt (maar niet in een punt, dit lijkt me vreemd?). De gradiënt is in dit geval (2x+y, x+2y). Dus indien we dit in punt p willen, vullen we p in de gradiënt in en krijgen we (-1,1) als uitkomst. Dus in het punt p neemt f maximaal toe in de richting (-1,1) ?
Klopt.
Verder vind ik het vreemd dat (-1,1) een richting kan zijn.
Je werkt met een functie van twee veranderlijken, wat is volgens jou dan wel een richting? Je kan de vector vanuit (0,0) naar (-1,1) tekenen, dat is de richting die je in het xy-vlak moet volgen zodat de functie (het beeld z) het felst stijgt.
christopheb schreef:Vanaf deze stap loop ik onnoemelijk hard vast in de redenering. In het boek staat dat als je een richtingsafgeleide in richting a van f in punt p wil berekenen, dat je dan een product moet doen van de gradiënt van f in p en richting a. Maar aangezien de richting hier de gradiënt in p zelf is, dan zouden we het product van zichzelf gaan maken?

Op wikipedia lijkt men deze te berekenen aan de hand van een eenheidsvector. Als ik zelf de eenheidsvector probeer op te stellen krijg ik
\(\frac{1}{\sqrt{2}} (-1,1)\)
, dus daar lijk ik ook ergens in de mist te gaan.
Het hangt er een beetje van af hoe het bij jou gedefinieerd is (kijk eens in je cursus), maar gewoonlijk definieert men de richtingsafgeleide inderdaad met een eenheidsvector (als richting). Heb je de oplossing van de opgave? Dan kan je daarmee controleren wat de bedoeling was.
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Berichten: 84

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Het hangt er een beetje van af hoe het bij jou gedefinieerd is (kijk eens in je cursus), maar gewoonlijk definieert men de richtingsafgeleide inderdaad met een eenheidsvector (als richting). Heb je de oplossing van de opgave? Dan kan je daarmee controleren wat de bedoeling was.
Helaas heb ik geen oplossing van de oefening, wat ook een reden is dat ik de vraag hier stel omdat ik absoluut niet zeker ben van de oplossingsmethode.

Het deel over de richting is inderdaad duidelijk. Ik heb de eenheidsvector als (1,1) geïnterpreteerd, wat dus een norm van
\(\sqrt{1^2+1^2}\)
heeft. Vandaar mijn vorige oplossing. Op welke manier kan de eenheidsvector nog geïnterpreteerd worden zodanig dat deze overeen komt met die van wikipedia?

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Nu ben je me even kwijt. Je hebt de richting moeten bepalen waarin f het snelst stijgt voor p = (-1,1). Dat was de richting (-1,1), toevallig hetzelfde! Dan vragen ze de richtingsafgeleide te bepalen volgens die richting. Daarvoor moet je het inproduct bepalen van de gradiënt van f in p met die richting, maar deze laatste richting genormaliseerd zodat je een eenheidsrichting hebt. Het kan ook zonder die normalisatie...

Edit: ah, je weet gewoon niet wat een eenheidsvector is? Neem de richtingsvector en deel deze door z'n norm, je houdt dan een vector over met dezelfde richting, maar norm met 1 (eenheidslengte).
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Berichten: 84

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Ok, dus de richting wordt de gradiënt in punt p, gedeeld door zijn norm. Dan krijg je
\(\frac{1}{\sqrt{(-1)^2 + 1^2}} (-1, 1)\)
. Dan dienen we de gradiënt in p te vermenigvuldigen met de richtingsvector die we net berekenden.
\((-1) (\frac{-1}{2}) + (1)(\frac{1}{2}) = 1\)


Is dit uiteindelijk de correcte berekening van de richtingsafgeleide in punt p volgens de richting waarin de functie f het sterkst stijgt?

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Door die norm krijg je een wortel(2) in de noemer, niet gewoon 2.

Wat je uiteindelijk zal bekomen is gewoon de norm van de gradiënt, kan je beredeneren waarom?
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Berichten: 84

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Inderdaad, het werd vermenigvuldigd met vierkantswortel 2 ipv 2. Echter is de oplossing dan
\(\frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{2}{\sqrt{2}}\)
. De norm van de gradiënt is
\(\sqrt{2}\)
dacht ik.

Door voorgaande, en door het feit dat we de gradiënt in een punt vermenigvuldigen met een eenheidsvector zie ik niet meteen in dat we gewoon de norm gaan bekomen?

Gebruikersavatar
Berichten: 7.556

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Echter is de oplossing dan
\(\frac{1}{\sqrt{2}} + \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{2}{\sqrt{2}}\)
. De norm van de gradiënt is
\(\sqrt{2}\)
dacht ik.
\( \frac{2}{\sqrt{2}}=\sqrt{2}\)
;)
Never express yourself more clearly than you think.

- Niels Bohr -

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Door voorgaande, en door het feit dat we de gradiënt in een punt vermenigvuldigen met een eenheidsvector zie ik niet meteen in dat we gewoon de norm gaan bekomen?
De richtingsafgeleide heb je hier berekend met een scalair product. Maar voor het scalair product geldt ook: v.w = |v|*|w|*cos(alfa), met alfa de hoek tussen de vectoren.

Als v bijvoorbeeld de gradiënt is en w de (eenheids)richtingsvector, dan is |w| alvast 1 en de cosinus is maximaal 1 (namelijk precies wanneer v en w in dezelfde richting liggen, richting volgens de gradiënt). Wat blijft er dan nog over van het hele scalair product?
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Berichten: 84

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

\( \frac{2}{\sqrt{2}}=\sqrt{2}\)
Wat blijft er dan nog over van het hele scalair product?
De norm van de gradiënt in p ;)

Bedankt voor het ophelderen van deze oefening, en voor het aanbrengen van nieuwe inzichten!

Gebruikersavatar
Berichten: 24.578

Re: Richingsafgeleide en maximale toename van functie in punt

Inderdaad! Dus nu heb je een handige "stelling". De maximale waarde van de richtingsafgeleide gebeurt in de richting van de gradiënt (dat wist je al) en is in grootte precies de norm van die gradiënt ;)

Graag gedaan, succes ermee!
"Malgré moi, l'infini me tourmente." (Alfred de Musset)

Reageer