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方向微分

あるベクトルv=(v1,,vn)\boldsymbol{v}=\left(v_1, \ldots, v_n\right)に沿った、スカラー関数

f(x)=f(x1,x2,,xn)f(\boldsymbol{x})=f\left(x_1, x_2, \ldots, x_n\right)

方向微分 (directional derivative)は、極限

vf(x)=limh0f(x+hv)f(x)h\nabla_{\boldsymbol{v}} f(\boldsymbol{x})=\lim _{h \rightarrow 0} \frac{f(\boldsymbol{x}+h \boldsymbol{v})-f(\boldsymbol{x})}{h}

として定義される関数である。

方向微分は偏微分の概念を一般化するものである。

また、方向微分を一般化したものはガトー微分である(ガトー微分の特別な場合が方向微分)

関数ffx\boldsymbol{x}において微分可能であるなら、任意のベクトルv\boldsymbol{v}に沿った方向微分が存在し、

vf(x)=f(x)v\nabla_{\boldsymbol{v}} f(\boldsymbol{x})=\nabla f(\boldsymbol{x}) \cdot \boldsymbol{v}

が成立する。ここで\nablaは勾配を表し、\cdotはドット積を表す。

ガトー微分

XXYY はノルム空間とする。f:XYf: X \to YxXx\in Xでの0tX0\neq t \in Xに沿ったガトー微分は

Dtf(x):=limh0f(x+ht)f(x)hD_t f(x) := \lim_{h \to 0} \frac{ f(x+ht) - f(x) }{h}

として右辺の極限が存在する限りにおいて定める。

ガトー微分とフレッシェ微分:方向微分と勾配の一般化 - 初級Mathマニアの寝言

通常の方向微分は X,YX, Y が有限次元のユークリッド空間になっているガトー微分