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111 台灣大學微積分(B) 第 5 題

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111學年度 · 111台大微積分B · 第 5 題

題目

Problem

5. Let f(x,y,z)=zxy2et2t2+4dtf(x, y, z) = \displaystyle\int_z^{x-y^2} \frac{e^{t^2}}{t^2+4}\,\mathrm{d}t. The linearization of f(x,y,z)f(x, y, z) at (1,1,0)(1, 1, 0) is L(x,y,z)=(8).L(x, y, z) = \underline{\quad (8) \quad} \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 三變數函數的線性逼近(Linearization)公式為: L(x,y,z)=f(x0,y0,z0)+fx(x0,y0,z0)(xx0)+fy(x0,y0,z0)(yy0)+fz(x0,y0,z0)(zz0)L(x, y, z) = f(x_0, y_0, z_0) + f_x(x_0, y_0, z_0)(x-x_0) + f_y(x_0, y_0, z_0)(y-y_0) + f_z(x_0, y_0, z_0)(z-z_0) 其中 (x0,y0,z0)=(1,1,0)(x_0, y_0, z_0) = (1, 1, 0)
  2. 首先求得 f(1,1,0)f(1, 1, 0)
  3. 利用微積分基本定理與萊布尼茲法則(Leibniz Rule),求得 fx,fy,fzf_x, f_y, f_z 的偏導數。
  4. 代入點 (1,1,0)(1, 1, 0),整理得線性方程式。

答題過程

展開

第一步:求 f(1,1,0)f(1,1,0)

f(1,1,0)=0112et2t2+4dt=00et2t2+4dt=0f(1, 1, 0) = \int_0^{1-1^2} \frac{e^{t^2}}{t^2+4}\,\mathrm{d}t = \int_0^0 \frac{e^{t^2}}{t^2+4}\,\mathrm{d}t = 0

第二步:求偏導數

g(t)=et2t2+4g(t) = \dfrac{e^{t^2}}{t^2+4}

  • 關於 xx 求導(上限為 xy2x-y^2):

    fx(x,y,z)=xzxy2g(t)dt=g(xy2)(xy2)x=e(xy2)2(xy2)2+41f_x(x,y,z) = \frac{\partial}{\partial x} \int_z^{x-y^2} g(t)\,\mathrm{d}t = g(x-y^2) \cdot \frac{\partial(x-y^2)}{\partial x} = \frac{e^{(x-y^2)^2}}{(x-y^2)^2+4} \cdot 1

    代入 (1,1,0)(1,1,0) 得:

    fx(1,1,0)=e002+4=14f_x(1,1,0) = \frac{e^0}{0^2+4} = \frac{1}{4}
  • 關於 yy 求導(上限為 xy2x-y^2):

    fy(x,y,z)=g(xy2)(xy2)y=e(xy2)2(xy2)2+4(2y)f_y(x,y,z) = g(x-y^2) \cdot \frac{\partial(x-y^2)}{\partial y} = \frac{e^{(x-y^2)^2}}{(x-y^2)^2+4} \cdot (-2y)

    代入 (1,1,0)(1,1,0) 得:

    fy(1,1,0)=e002+4(2)=12f_y(1,1,0) = \frac{e^0}{0^2+4} \cdot (-2) = -\frac{1}{2}
  • 關於 zz 求導(下限為 zz):

    fz(x,y,z)=zzxy2g(t)dt=g(z)1=ez2z2+4f_z(x,y,z) = \frac{\partial}{\partial z} \int_z^{x-y^2} g(t)\,\mathrm{d}t = -g(z) \cdot 1 = -\frac{e^{z^2}}{z^2+4}

    代入 (1,1,0)(1,1,0) 得:

    fz(1,1,0)=e002+4=14f_z(1,1,0) = -\frac{e^0}{0^2+4} = -\frac{1}{4}

第三步:寫出線性逼近

L(x,y,z)=f(1,1,0)+fx(1,1,0)(x1)+fy(1,1,0)(y1)+fz(1,1,0)(z0)L(x,y,z) = f(1,1,0) + f_x(1,1,0)(x-1) + f_y(1,1,0)(y-1) + f_z(1,1,0)(z-0) L(x,y,z)=0+14(x1)12(y1)14z=14(x2yz+1)L(x,y,z) = 0 + \frac{1}{4}(x-1) - \frac{1}{2}(y-1) - \frac{1}{4}z = \boxed{\frac{1}{4}(x - 2y - z + 1)}