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96 台灣大學微積分(B) 第 11 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

96學年度 · 96台大微積分B · 第 11 題

題目

2. 設曲面 S:x2+y2+z2=10S:x^2+y^2+z^2=10 上點 (x,y,z)(x,y,z) 的溫度為 T(x,y,z)=2xy+4yzT(x,y,z)=2xy+4yz。試問最高溫度與最低溫度為何?發生在何處?(14%)(14\%)

解答

解法一

思路

展開
  • 溫度是二次型,球面約束固定向量長度;求對稱矩陣的最大、最小特徵值即可。

答題過程

展開 T=(xyz)(010102020)(xyz).T=\begin{pmatrix}x&y&z\end{pmatrix} \begin{pmatrix}0&1&0\\1&0&2\\0&2&0\end{pmatrix} \begin{pmatrix}x\\y\\z\end{pmatrix}.

此矩陣的特徵值為 5,0,−5\sqrt5,0,-\sqrt5。在 x2+y2+z2=10x^2+y^2+z^2=10 上,極值為 1010 倍的最大、最小特徵值:

Tmax⁡=105,Tmin⁡=−105.T_{\max}=10\sqrt5,\qquad T_{\min}=-10\sqrt5.

對應單位方向可取 (1,5,2)/10(1,\sqrt5,2)/\sqrt{10} 及 (1,−5,2)/10(1,-\sqrt5,2)/\sqrt{10},故

Tmax⁡=105,發生於 ±(1,5,2);\boxed{T_{\max}=10\sqrt5\text{,發生於 }\pm(1,\sqrt5,2)}; Tmin⁡=−105,發生於 ±(1,−5,2).\boxed{T_{\min}=-10\sqrt5\text{,發生於 }\pm(1,-\sqrt5,2)}.