עבור מספר טבעי
n
∈
N
{\displaystyle n\in \mathbb {N} }
, פונקציה סקלרית
f
:
R
n
→
R
{\displaystyle f:\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} }
ווקטורים
v
→
=
(
v
1
,
…
,
v
n
)
∈
R
n
{\displaystyle {\vec {v}}=(v_{1},\ldots ,v_{n})\in \mathbb {R} ^{n}}
ו-
x
→
=
(
x
1
,
…
,
x
n
)
∈
R
n
{\displaystyle {\vec {x}}=(x_{1},\dots ,x_{n})\in \mathbb {R} ^{n}}
, מגדירים את הנגזרת הכיוונית של
f
{\displaystyle f}
בכיוון
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
בנקודה
x
→
{\displaystyle {\vec {x}}}
על ידי הגבול :
D
v
→
f
(
x
→
)
:=
lim
h
→
0
f
(
x
→
+
h
v
→
)
−
f
(
x
→
)
h
|
v
→
|
{\displaystyle D_{\vec {v}}{f}({\vec {x}}):=\lim _{h\rightarrow 0}{\frac {f({\vec {x}}+h{\vec {v}})-f({\vec {x}})}{h|{\vec {v}}|}}}
כאשר
|
v
→
|
{\displaystyle |{\vec {v}}|}
היא הנורמה של
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
, כלומר
|
v
→
|
=
v
1
2
+
v
2
2
+
⋯
+
v
n
2
{\displaystyle |{\vec {v}}|={\sqrt {v_{1}^{2}+v_{2}^{2}+\dots +v_{n}^{2}}}}
.
אם נגזרת כיוונית זו קיימת אומרים כי
f
{\displaystyle f}
גזירה בכיוון
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
בנקודה
x
→
{\displaystyle {\vec {x}}}
.
תתכנה פונקציות אשר עבור נקודה
x
→
{\displaystyle {\vec {x}}}
כלשהי אינן גזירות לכל כיוון
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
. באופן דומה, תתכנה פונקציות אשר עבור כיוון
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
כלשהו אינן גזירות בכל נקודה
x
→
{\displaystyle {\vec {x}}}
.
בהינתן זוג פונקציות
f
,
g
:
R
n
→
R
{\displaystyle f,g:\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} }
גזירות בכיוון
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
בנקודה
x
→
{\displaystyle {\vec {x}}}
, ובהינתן
α
,
β
∈
R
{\displaystyle \alpha ,\beta \in \mathbb {R} }
מתקיים כי:
D
v
→
(
α
f
+
β
g
)
(
x
→
)
=
α
D
v
→
f
(
x
→
)
+
β
D
v
→
g
(
x
→
)
{\displaystyle D_{\vec {v}}(\alpha f+\beta g)({\vec {x}})=\alpha D_{\vec {v}}f({\vec {x}})+\beta D_{\vec {v}}g({\vec {x}})}
כלומר, פעולת הנגזרת הכיוונית היא ליניארית .
בהינתן זוג פונקציות
f
,
g
:
R
n
→
R
{\displaystyle f,g:\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} }
גזירות בכיוון
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
בנקודה
x
→
{\displaystyle {\vec {x}}}
, מתקיים כי:
D
v
→
(
f
g
)
(
x
→
)
=
g
(
x
→
)
D
v
→
f
(
x
→
)
+
f
(
x
→
)
D
v
→
g
(
x
→
)
{\displaystyle D_{\vec {v}}(fg)({\vec {x}})=g({\vec {x}})D_{\vec {v}}f({\vec {x}})+f({\vec {x}})D_{\vec {v}}g({\vec {x}})}
כלומר, הנגזרת הכיוונית מקיימת את כלל לייבניץ לנגזרת מכפלה .
בהינתן הפונקציה הסקלרית
f
:
R
n
→
R
{\displaystyle f:\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} }
ופונקציה ממשית
g
:
R
→
R
{\displaystyle g:\mathbb {R} \to \mathbb {R} }
, כאשר
f
{\displaystyle f}
גזירה בכיוון
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
בנקודה
x
→
{\displaystyle {\vec {x}}}
וכן
g
{\displaystyle g}
גזירה בנקודה
f
(
x
→
)
{\displaystyle f({\vec {x}})}
, מתקיים כי:
D
v
→
(
g
∘
f
)
(
x
→
)
=
g
′
(
f
(
x
→
)
)
D
v
→
f
(
x
→
)
{\displaystyle D_{\vec {v}}(g\circ f)({\vec {x}})=g'(f({\vec {x}}))D_{\vec {v}}f({\vec {x}})}
זאת כאשר
g
′
{\displaystyle g'}
היא הנגזרת של
g
{\displaystyle g}
. זוהי גרסה כיוונית של כלל השרשרת .
עבור פונקציות דיפרנציאביליות
עריכה
אם הפונקציה היא דיפרנציאבילית , ניתן לכתוב אותה בעזרת הגרדיאנט
∇
f
{\displaystyle \nabla f}
של
f
{\displaystyle f}
באמצעות:
D
v
→
f
=
∇
f
⋅
v
→
|
v
→
|
=
∇
f
⋅
v
^
{\displaystyle D_{\vec {v}}{f}=\nabla f\cdot {\frac {\vec {v}}{|{\vec {v}}|}}=\nabla f\cdot {\hat {v}}}
כאשר
⋅
{\displaystyle \cdot }
מציין מכפלה סקלרית , ו־
v
^
{\displaystyle {\hat {v}}}
מציין את וקטור היחידה בכיוון
v
→
{\displaystyle {\vec {v}}}
.