Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda tachiflupec » 02/04/2024, 13:36

Ciao, ho un problema nel capire una notazione che usa il prof.

Io ho studiato dal corso di analisi che la derivata direzionale è ad esempio per $f(x,y)$ lungo $vec v=(v_1,v_2)$ versore:
$(partialf(x,y))/(partialvecv)=lim_(t->0) (f(x+tv_1,y+tv_2)-f(x,y))/t$

Bene, detto questo si nota dalla: $f(x_0+h,x_0+k)=f(x_0,y_0)+(partialf)/(partialx)h+(partialf)/(partialy)k+o(sqrt(h^2+k^2))$ che il differenziale altri non è se non $vecnablaf*(h,k)$.

D'altra parte l'ultima considerazione è quella che in effetti si sfrutta quando si dimostra la formula del gradiente: $vec nabla f*vecv=(partialf(x,y))/(partialvecv)$ (avendo cura di riscrivere nella dim. h e k con v1*t e v2*t e dividendo per t e passando al limite), esplicitamente:
$(f(x_0+h,x_0+k)-f(x_0,y_0))/t=(partialf)/(partialx)v_1t/t+(partialf)/(partialy)v_2t/t+o(sqrt(h^2+k^2))$ (1) e poi ne prendo il limite e a sx ho proprio la definizione di derivata direzionale

Detto questo leggo questo testo:
andiamo a denotare $df_p$ il differenziale di f nel punto p. Specificamente, dfp(v) è la derivata direzionale di f nel punto p con direzione v, ossia $df_p(v) = d/(dt) f (p + tv)|_(t=0)$
Quando scrive:
$df_p(v)$ sembra voler dire che fa differenziale $df_p$ scalare $v$, quindi sarebbe una formula del gradiente, quindi mi aspetto che al pari di quanto fatto in (1) ci sia una divisione per t da qualche parte e un relativo limite di $t->0$.
Invece scrive $d/(dt)f$ e questa cosa mi lascia perplesso perché derivare per t non vuol dire dividere per t e fare t->0 nel limite come fatto in (1). Mi sembra quindi come affermare che derivare per t sia il limite di t->0

Rimango confuso su questa cosa.
tachiflupec
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Re: Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda pilloeffe » 02/04/2024, 19:27

Ciao tachiflupec,

Provo a risponderti usando le tue notazioni, ma $\mathbf p $, altrove spesso indicato con $\mathbf x $, è un punto (nel tuo caso in $\RR^2$), non uno scalare.
In generale, se esiste finito il $\lim_{t \to 0} \frac{f(\mathbf p + t \mathbf v) - f(\mathbf p)}{t} $ si chiama derivata nella direzione di $\mathbf v$ di $f$ nel punto $\mathbf p $ e si indica di solito con $D_{\mathbf v} f(\mathbf p )$. In questo caso $f$ si dice derivabile nella direzione di $\mathbf v$ in $ \mathbf p $.
Questa definizione è essenzialmente unidimensionale e ciò si può evidenziare osservando che, essendo $ \mathbf p $ e $ \mathbf v $ fissati (in $\RR^2 $ nel tuo caso), posto $\varphi(t) := f(\mathbf p + t \mathbf v)$, $\varphi $ è una funzione della sola variabile reale $t$, definita in un intorno di $t = 0 $, e si ha:

$D_{\mathbf v} f(\mathbf p) = \varphi'(0) = \frac{"d"}{"d"t}f(\mathbf p + t \mathbf v)|_{t = 0}$

Il discorso del differenziale è un po' diverso, ma sostanzialmente intendendo che $\mathbf h = (h, k) $ possiamo scrivere:

$ "d"f(\mathbf p) = \langle \nabla f(\mathbf p), \mathbf h \rangle $

Inoltre, se $f(\mathbf p) = p_j $ avremo $ "d"f(\mathbf p) = "d"p_j = h_j $ e perciò

$ "d"f(\mathbf p) = \langle \nabla f(\mathbf p), "d"\mathbf p \rangle = \sum_{j = 1}^{n = 2} f_{p_J}(\mathbf p) "d"p_j $
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Re: Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda tachiflupec » 03/04/2024, 10:47

Ciao pilloeffe, grazie per la risposta. Se non ti dà fastidio avrei TRE punti che mi preme discutere:

1)
se $f(\mathbf p) = p_j $ avremo $ "d"f(\mathbf p) = "d"p_j = h_j $

non ho capito bene perché il differenziale della funzione f(p) (funzione che è pj) diventa $ "d"f(\mathbf p) = "d"p_j = h_j$. Domanda stupida ma non ho compreso proprio i passaggi, se puoi espanderli o spiegarmeli passo-passo [modialità idiot on] ti ringrazio :-D.




2)

per il resto mi sembra proprio che hai scritto esattamente quello che dicevo, mi torna tutto abbastanza. Ad esempio anche qui:
$ "d"f(\mathbf p) = \langle \nabla f(\mathbf p), \mathbf h \rangle $
quello che volevo dire (usando la tua notazione) è che quando dimostro la formula del gradiente io considero
$\mathbf h=\mathbf vt$, cioè: $ "d"f(\mathbf p) = \langle \nabla f(\mathbf p), \mathbf v t \rangle $
da cui dividendo ambo i membri per t ho:
$ ("d"f(\mathbf p))/t = \langle \nabla f(\mathbf p), \mathbf v t \rangle/t $
detto cio, passando al limite per $t->0$ si ottiene a sx la definizione di derivata direzionale, e a destra la formula del gradiente appunto: $\langle \nabla f(\mathbf p), \mathbf v \rangle $ c.v.d.

Fin qui mi sembra ok, se sbaglio correggimi pure!





3)
la parte che non mi torna e che volevo chiedere nel primo post era solo questa (uso sempre la tua notazione):
noi sappiamo che la derivata direzionale è per definizione: $D_{\mathbf v} f(\mathbf p )=\lim_{t \to 0} \frac{f(\mathbf p + t \mathbf v) - f(\mathbf p)}{t} $

D'altra parte poi come scrivi anche tu il testo dice: $D_{\mathbf v} f(\mathbf p) = \frac{"d"}{"d"t}f(\mathbf p + t \mathbf v)|_{t = 0}$

e quindi mi sembra di capire che l'autore dica che quella che definisco come derivata (fin da analisi 1) di una certa funzione, diciamola: "f", ossia il rapporto incrementale per l'incremento t è la stessa cosa di dire derivo per t, ossia: $(df)/(dt)=\lim_{t \to 0} \frac{f(\mathbf p + t \mathbf v) - f(\mathbf p)}{t} $. Ma a me non pare che vadano prorpio così le cose:
Io quello che voglio dire (uso h al posto di t per riportarmi alla notazione tipica di analisi1) è che: $(df)/(dh)!=\lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x)}{h}=(df)/(dx)$. (insomma il limite di quel rapporto incrementale è la derivazione per $x$ non per $h$ - o $t$ se vogliamo chiamare $t$ l'incremento-).
invece qui sto asserendo proprio che la prima disuguaglianza è una uguaglianza, mi pare.
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Re: Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda tachiflupec » 11/04/2024, 15:56

@Quinzio: c'era una tua risposta che ho visto prima di loggarmi ma è sparita. Siccome l'argomento mi interessa molto potrei chiederti di ripostarla? Non capisco perché il sito l'ha fatta sparire :cry:
L'unico aiuto che avessi ricevuto! Era di mio grande interesse. :?
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Re: Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda Quinzio » 11/04/2024, 17:53

tachiflupec ha scritto:e quindi mi sembra di capire che l'autore dica che quella che definisco come derivata (fin da analisi 1) di una certa funzione, diciamola: "f", ossia il rapporto incrementale per l'incremento t è la stessa cosa di dire derivo per t, ossia: $(df)/(dt)=\lim_{t \to 0} \frac{f(\mathbf p + t \mathbf v) - f(\mathbf p)}{t} $. Ma a me non pare che vadano prorpio così le cose:
Io quello che voglio dire (uso h al posto di t per riportarmi alla notazione tipica di analisi1) è che: $(df)/(dh)!=\lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h) - f(x)}{h}=(df)/(dx)$. (insomma il limite di quel rapporto incrementale è la derivazione per $x$ non per $h$ - o $t$ se vogliamo chiamare $t$ l'incremento-).
invece qui sto asserendo proprio che la prima disuguaglianza è una uguaglianza, mi pare.


Hai ragione, nel senso che la cosa va chiarita.
Dietro c'e' un gioco di prestigio con le variabili e un po' di confusione, che non guasta mai.

Questa cosa qui e' formalmente sbagliata, anche se tutti ne capiscono il significato:
$(df)/(dt)=\lim_{t \to 0} \frac{f(\mathbf p + t \mathbf v) - f(\mathbf p)}{t} $

e bisognerebbe scriverla cosi'
$(df)/(dt)=\lim_{h \to 0} \frac{f(\mathbf p + (t+h) \mathbf v) - f(\mathbf p + t \mathbf v)}{h} $

Scritta in questo modo ritorna ad essere il "solito" limite del un rapporto incrementale, dove nel limite ho fatto uso di una variabile temporanea, o muta, la $h$, che serve solo per il calcolo del limite.
Tu starai pensando a tante domande, ad es.: ma non e' la stessa cosa ? No, non e' la stessa cosa.
Oppure: ma rispetto a cosa sto derivando, rispetto a $\bb p$ o rispetto a $t$ ? Stai derivando rispetto a $t$. Se ci pensi e' l'unica risposta possibile. La derivata, ossia il rapporto di un limite incrementale, ha senso solo con funzioni $RR \to RR$, non con funzioni $RR^2 \to RR$ o $RR^3 \to RR$, ecc...
Il limite di un rapporto incrementale e' un rapporto prima di tutto, e un rapporto e' una divisione, che ha senso solo fatta con un numero solo al numeratore e un numero solo al denominatore. Quindi dire che si sta derivando da una funzione $RR^2 \to RR$ non ha senso. Sarebbe come dire che stai dividendo con due numeri al denominatore.
Tu dirai, e il gradiente, cos'e' allora ? Il gradiente e' un vettore di $n$ derivate, ognuna fatta rispetto a una singola variabile e "facendo finta" che le altre variabili siano parametri fissi.
Nel nostro caso quindi, non stiamo derivando rispetto a $\bb p $, che non ha senso, ma rispetto a $t$.

Adesso si dovrebbe capire meglio anche il significato di
$ D_{\mathbf v} f(\mathbf p) = \frac{"d"}{"d"t}f(\mathbf p + t \mathbf v)|_{t = 0} $.

$t$ non e' la variabile muta del rapporto incrementale. $t$ e' sempre una variabile temporanea, se vogliamo, presa in prestito per definire una funzione di una variabile sola.
Se $t$ fosse la variabile muta, questa scrittura non avrebbe senso, perche' sarebbe di fatto una divisione per zero.
Forse sarebbe meglio scriverla cosi', come primo approccio
$ D_{\mathbf V} f(\mathbf {P_0}) = \frac{"d"}{"d"t}f(\mathbf P_0 + t \mathbf V)|_{t = 0} $,

Scritta cosi', con le lettere maiuscole che stanno ad indicare delle costanti, si vede meglio che non si sta derivando rispetto a $\bb p$, o a $\bb P_0$, o tanto meno rispetto a $\bb V$, ma rispetto a $t$, anche se in teoria era gia' chiaro prima.
Fatta la derivata, si pone $t=0$ in modo da "ritornare" nel punto $\bb P_0$.
Poi nessuno vieta di considerare $\bb P_0$ come variabile, ovvero lasciare scritto $\bb p$, un po' come si puo' scrivere
$(d\ (g(x,y)))/(dx) = k(y)$, a patto di aver capito che la derivata non la si fa con una funzione di 2 variabili rispetto a tutte e due le variabili $x, y$ contemporaneamente, che non ha senso, ma rispetto alla stessa funzione dove $y$ e' diventata fissa. Poi, una volta fatta la derivata, $y$ puo' ritornare ad essere "variabile".
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Re: Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda tachiflupec » 11/04/2024, 19:07

Ciao @Quinzio e grazie per il re-post.

In questi giorni ci ho riflettuto molto e volevo provare a postarti anche la mia intuizione, per vedere se la condividi o meno. Tuttavia leggendo la tua risposta qui sopra mi sembra altrettanto valida (cioè quella di usare la ausiliaria $h$) e quindi sono indeciso se sia più giusta la mia, la tua o se siano due facce della stessa medaglia. Provo a proportela innanzitutto poi se hai voglia di discuterci sopra con me ti ringrazio molto.

La mia idea è pressoché la seguente:

Quando prendo $\frac{"d"}{"d"t}f(\mathbf p + t \mathbf v)|_{t = 0} $ (*) posso vedere il termine $\mathbf p + t \mathbf v$ come una "curva" molto semplice, cioè una $\mathbfx(t)=\mathbf p + t \mathbf v$

A questo punto la (*) diventa una semplice derivata di una funzione composta e si dovrebbe fare il prodotto delle jacobiane (la chain rule generalizzata), tuttavia la jacobiana della x è semplicemente un gradiente (dico gradiente perché la curva $\mathbfx(t)$ alla fine dato che usiamo le coordinate cartesiane ci dà le tre direzioni lungo x1,x2 e x3: $\mathbfx(t)=(x_1(t),x_2(t),x_3(t))=(p+tv_1,p+tv_2,p+tv_3)$), mentre la seconda funzione si riduce alla semplice derivata, insomma qualcosa del genere: $sum_(i=1)^3(partialf)/(partialx_i)*(dx_i)/(dt)$ tuttavia $(dx_i)/(dt)=(d(p_i+tv_i))/(dt)=v_i$ da cui: $sum_(i=1)^3(partialf)/(partialx_i)*v_i$. Quindi in notazione vettoriale: $vecnablaf*\mathbfdotx(t)=vecnablaf*\mathbfv(t)$ e questa è identica alla formula del gradiente. D'altra parte noi sappiamo che per la formula del gradiente $vecnablaf*\mathbfv(t)=(partialf)/(partialv)=D_{\mathbf v} f(\mathbf p)$ cioè il gradiente moltiplicato v(t) è la derivata direzionale in direzione di v (le ultime due uguaglianze sono notazioni che esprimono tale derivata direzionale).


A questo punto possiamo quindi scrivere le seguenti uguaglianze: $vecnablaf*\mathbfdotx(t)=(partialf)/(partialv)=D_{\mathbf v} f(\mathbf p)=\frac{"d"}{"d"t}f(\mathbf p + t \mathbf v)|_{t = 0}$

il fatto è che l'uguaglianza tra $\frac{"d"}{"d"t}f(\mathbf p + t \mathbf v)|_{t = 0}$ e la derivata direzionale a questo punto diventa proprio una uguaglianza di risultati, non più di notazioni. E la $\frac{"d"}{"d"t}f(\mathbf p + t \mathbf v)|_{t = 0}$ è ora una derivazione per t, solo fatta lungo una curva (cioè di una funzione composta con la curva): in tal senso df/dt ha perfettamente senso perché è la derivazione rispetto a t e non indica più il rapporto incrementale della derivata direzionale come pensavo prima.

che ne pensi? E se non ho sparato solo fesserie come lo agganceresti alla tua interpretazione (che pur mi par funzionare)? :)
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Re: Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda tachiflupec » 11/04/2024, 19:25

PS: uhm forse coincide in effetti nel senso che quando scrivo
$(dx_i(t))/(dt)=(d(p_i+tv_i))/(dt)=v_i$
sto facendo il limite del rapporto incrementale di:
$lim_(h->0)((p_i+tv_ih)-(p_i+tv_i))/h$. Solo con la composizione ho spezzato la funzione composta nella parte in f e la parte in vt, con il tuo metodo è tutto "assemblato" in un unico limite del rapporto incrementale.

vabbè, aspetto tuo risposte prima di introdurre altri pensieri :-D vediamo che ne pensi del mio farneticare!
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Re: Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda Quinzio » 11/04/2024, 21:17

Si, ok. Va bene quello che hai scritto.
Si vede che hai capito i concetti e sai di cosa stai parlando.
Il punto era un altro.

Il punto era che questa cosa qui non e' corretta:
$ (df)/(dt)=\lim_{t \to 0} \frac{f(\mathbf p + t \mathbf v) - f(\mathbf p)}{t} $

La $t$ a destra dell'uguale e quella a sinistra sono due cose diverse e vanno usate due lettere diverse, la $h$, oltre alla $t$.
Io lo so che hai capito che sono 2 cose diverse, ma non lo puoi scrivere, perche' in matematica le regole sono rigide.
Facciamo finta che ti chiami Marcello. Se tu mi dici: "Ieri sono uscito con Marcello", io lo capisco che sei uscito con un tuo amico che si chiama come te, ma se ragiono da matematico devo concludere che sei uscito con te stesso. Vedi dov'e' il problema ?
Quinzio
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Re: Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda tachiflupec » 13/04/2024, 11:02

@Quinzio: grazie per la risposta innanzitutto. Ci tenevo molto!

FOrse mi sono spiegato male, o almeno lo intuisco dalla tua risposta. In realtà con il mio discorso quello che volevo dire è questo:
inizialmente quando scriveva: $D_{\mathbf v} f(\mathbf p)=\frac{"d"}{"d"t}f(\mathbf p + t \mathbf v)|_{t = 0}$ avevo mal interpretato e dicevo: c'e scritto un $(df)/(dt)$ quindi vuole derivare per t.
Ma non mi ci ritrovavo perché dicevo, "si ok lui scrive df/dt ma questa scrittura non è vera: $ (df)/(dt)=\lim_{t \to 0} \frac{f(\mathbf p + t \mathbf v) - f(\mathbf p)}{t} $, eppure vorrebbe derivare per t" (da qui i dubbi)

Il punto è che sbagliavo perché sta in effetti derivando per t, ma sta derivando una composizione di funzioni e non sta esplicitamente facendo il rapporto incrementale di $\lim_{t \to 0} \frac{f(\mathbf p + t \mathbf v) - f(\mathbf p)}{t} $ come pensavo inizialmente.

Quindi è corretto scrivere $(df)/(dt)$, ma non da intendersi come t->0, perché va intesa come derivata composta. Era questo che intendevo :D
Non so se mi sono spiegato meglio... fammi sapere :D


Detto questo mi piacerebbe però, del mio discorso precedente, considerare un punto che mi lascia un poco dubbioso, il seguente:
c'è un punto in cui scrivo $sum_(i=1)^3(partialf)/(partialx_i)*(dx_i)/(dt)$ nel senso che ho il gradiente di f da una parte. Però quando dico, "ho il gradiente" mi accorgo che c'è una piccola ma non trascurabile differenza col gradiente "classico".

Quando io svolgo le $(partialf)/(partialx_i)$ in realtà le $x_i$ sono delle $x_i(t)$ (e non delle x variabili libere) e mi lascia un po perplesso la cosa seguente il $partialx_i$ nel gradiente classico ha una x libera di "incrementare e muoversi a piacere", mentre qui la $partialx_i(t)$ è più vincolata (perché ha una dipendenza da t, cioè è a sua volta una "funzione".
Quindi nel concetto sbrigativo di vedere i dx come piccoli incrementi non mi ci ritrovo perché mi viene da pensare che i dx possano avere più libertà dei dx(t) nel loro essere piccoli a piacere. Non so se mi spiego, sennò provo a spiegarmi meglio. Tu che ne pensi? Perché invece non c'è questo "problema"?
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Re: Derivata direzionale (dubbio teoria)

Messaggioda Quinzio » 13/04/2024, 13:18

tachiflupec ha scritto: Era questo che intendevo :D
Non so se mi sono spiegato meglio... fammi sapere :D

Si certo, come avevo detto si capisce che hai capito, hai capito il concetto della funzione composta, e tutto il resto

Detto questo mi piacerebbe però, del mio discorso precedente, considerare un punto che mi lascia un poco dubbioso, il seguente:
c'è un punto in cui scrivo $sum_(i=1)^3(partialf)/(partialx_i)*(dx_i)/(dt)$ nel senso che ho il gradiente di f da una parte. Però quando dico, "ho il gradiente" mi accorgo che c'è una piccola ma non trascurabile differenza col gradiente "classico".

Quando io svolgo le $(partialf)/(partialx_i)$ in realtà le $x_i$ sono delle $x_i(t)$ (e non delle x variabili libere) e mi lascia un po perplesso la cosa seguente il $partialx_i$ nel gradiente classico ha una x libera di "incrementare e muoversi a piacere", mentre qui la $partialx_i(t)$ è più vincolata (perché ha una dipendenza da t, cioè è a sua volta una "funzione".
Quindi nel concetto sbrigativo di vedere i dx come piccoli incrementi non mi ci ritrovo perché mi viene da pensare che i dx possano avere più libertà dei dx(t) nel loro essere piccoli a piacere. Non so se mi spiego, sennò provo a spiegarmi meglio. Tu che ne pensi? Perché invece non c'è questo "problema"?


Si, ti sei spiegato.
La risposta te la danno qui:
https://it.wikipedia.org/wiki/Regola_de ... lternativa
in fondo quando scrivono:
"il limite del prodotto di quei rapporti incrementali è uguale al prodotto dei loro limiti presi separati"
poi fanno un cambio di variabile, con la $\theta$ in modo da essere formalmente corretti.
La risposta al tuo dubbio e' li. Leggilo, rileggilo, vedi se hai capito.
Quinzio
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