多變數微積分 · 切平面

切平面

切平面可近似可微分曲面在一點附近的形狀。持續放大:高度誤差相對於觀察尺度會越來越小。

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這個視覺化中的切平面

若 f(x,y)f(x, y) 在 (a,b)(a, b) 可微分,曲面 z=f(x,y)z = f(x, y) 在這裡就有切平面:它是線性近似(或線性化)LL 的圖形。這個平面由兩個偏導數構成;越靠近該點,曲面就越緊密地貼近它,且這樣的平面只有一個。點 (a,b)(a, b) 也記為 (x0,y0)(x_0, y_0)。

切平面
z=L(x,y)=f(a,b)+fx(a,b) (x−a)+fy(a,b) (y−b)z = L(x, y) = f(a, b) + f_x(a, b)\,(x - a) + f_y(a, b)\,(y - b)

玻璃曲面是 f 的圖形,藍色薄片是 P 點的平面,其中的藍線是曲面通過 P 的兩個截面(沿 x 與沿 y)的切線:它們張成這個平面。全貌圖中的紅色正方形是 ∣x−a∣≤w, ∣y−b∣≤w|x - a| \le w,\ |y - b| \le w。縮小 w 會以相同比例放大 P 周圍的 x、y、z 三個方向。黃色線段標出正方形內曲面與平面的最大垂直間隙(取定義域內的部分,以密集網格估計);讀值則將它除以 w。可微分的意思正是這個比值趨近 0,也就是最大間隙為 o(w):

在 (a, b) 可微分
max⁡∣x−a∣, ∣y−b∣≤w∣f(x,y)−L(x,y)∣w→0(w→0)\max_{|x-a|,\,|y-b| \le w} \frac{|f(x, y) - L(x, y)|}{w} \to 0 \quad (w \to 0)
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值得觀察的地方

  • 當 f 在 P 點的二階項不為零(山丘,以及波浪上的大多數點),w 足夠小時,間隙會依 w2w^2 的尺度縮小,因此每放大十倍,比值就大約縮小為十分之一;在碗形曲面與鞍形曲面上,每一點都精確符合這個關係。二階項為零的地方會縮小得更快:在波浪的原點,每放大十倍,比值就縮小為百分之一。
  • 只有偏導數還不夠。在摺疊曲面上(本頁對經典反例 f=0.9 xy/x2+y2f = 0.9\,xy/\sqrt{x^2 + y^2}、f(0,0)=0f(0, 0) = 0 的稱呼),原點的兩個偏導數都是 0,給出平面 z=0z = 0;但無論放大多少,最大間隙都維持為 (0.9/2) w≈0.636 w(0.9/\sqrt2)\,w \approx 0.636\,w,出現在正方形的四個角:這裡沒有切平面。圓錐尖點甚至連偏導數都不存在。除此之外,這兩個曲面在其他地方都可微分。
  • 切平面可能穿過曲面:在鞍點,它是水平的,而曲面在一個方向高於它,在另一個方向低於它。
  • 三維視圖採用透視投影,因此螢幕上看見的傾斜程度取決於視角。讀值顯示的是數字經四捨五入(≈)的平面方程式;最大間隙是取樣估計值,並非誤差界限。
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應用在哪裡

  • 線性近似:在 (a,b)(a, b) 附近,f(x,y)≈L(x,y)f(x, y) \approx L(x, y);變化量 dz=fx dx+fy dydz = f_x\,dx + f_y\,dy 是全微分。向量 (fx,fy,−1)(f_x, f_y, -1) 垂直於這個平面。
  • 在數值方法中,局部導數資訊用來建立每一次迭代:求解方程組的牛頓法會解線性化後的方程組,而梯度下降法則沿梯度的反方向前進;梯度描述了切平面的傾斜情形。
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操作方式

  • 將滑桿往 0.001 移動即可放大;w → 0 每次放大十倍。在整個曲面的視圖(w = 1)中,可拖曳曲面上的 P,或它在全貌圖上的投影點;任何放大倍率下都可用微調輪和關鍵點移動它。截面顯示兩個截面及其切線;全貌圖顯示目前所在位置。
  • 簡報模式會開啟適合投影的全螢幕視圖(空白鍵放大,← → 將 w 改為十倍或十分之一,H 隱藏答案)。
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相關概念

延伸閱讀: OpenStax, Calculus Volume 3, 4.4 Tangent Planes and Linear Approximations (英文).