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111 台灣大學微積分(C) 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

111學年度 · 111台大微積分C · 第 10 題

題目

Problem

10. Use the method of Lagrange Multipliers to find the point(s) on the surface y2=16+xzy^2 = 16 + xz that are closest to the origin. (10%)

解答

解法一

思路

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  1. 目標函數:設點 (x,y,z)(x,y,z) 到原點距離的平方為目標函數: f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2
  2. 約束條件:表面方程式為約束條件: g(x,y,z)=y2xz16=0g(x, y, z) = y^2 - xz - 16 = 0
  3. 拉格朗日乘子法:建立方程組 f=λg\nabla f = \lambda \nabla gg=0g=0
  4. 解方程組,找出所有臨界點,並比較距離平方值以確定最接近原點的點。

答題過程

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設目標函數為 f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x,y,z) = x^2+y^2+z^2,約束條件為 g(x,y,z)=y2xz16=0g(x,y,z) = y^2 - xz - 16 = 0。 由拉格朗日乘子法:

f(x,y,z)=λg(x,y,z)    2x,2y,2z=λz,2y,x\nabla f(x, y, z) = \lambda \nabla g(x, y, z) \implies \langle 2x, 2y, 2z \rangle = \lambda \langle -z, 2y, -x \rangle

分量列出方程組:

  1. 2x=λz2x = -\lambda z
  2. 2y=2λy    2y(1λ)=02y = 2\lambda y \implies 2y(1 - \lambda) = 0
  3. 2z=λx2z = -\lambda x
  4. y2xz16=0y^2 - xz - 16 = 0

由方程式 (2) 可知,必有兩種情況: λ=1\lambda = 1y=0y = 0

情況一: λ=1\lambda = 1

代入方程 (1) 與 (3) 中:

2x=z,2z=x    2(2z)=x    4z=x    x=4z2x = -z, \quad 2z = -x \implies 2(-2z) = -x \implies -4z = -x \implies x = 4z

同時滿足 2x=z    8z=z    9z=0    z=02x = -z \implies 8z = -z \implies 9z = 0 \implies z = 0。 代回得 x=0x = 0。 將 x=0,z=0x = 0, z = 0 代入約束條件 (4):

y2016=0    y2=16    y=±4y^2 - 0 - 16 = 0 \implies y^2 = 16 \implies y = \pm 4

此時我們得到兩個臨界點:

(0,4,0)(0,4,0)(0, 4, 0) \quad \text{與} \quad (0, -4, 0)

其距離平方為 f(0,±4,0)=0+16+0=16f(0, \pm 4, 0) = 0 + 16 + 0 = 16

情況二: y=0y = 0

代入約束條件 (4):

xz16=0    xz=16-xz - 16 = 0 \implies xz = -16

(這表示 x0x \neq 0z0z \neq 0) 由方程 (1) 和 (3),因為 x,z0x, z \neq 0,我們可以求出 λ\lambda

λ=2xz=2zx    x2=z2\lambda = -\frac{2x}{z} = -\frac{2z}{x} \implies x^2 = z^2

結合 xz=16xz = -16: 由於 x2=z2x^2 = z^2 且其乘積為負數,兩者必互為相反數,即 z=xz = -x

x(x)=16    x2=16    x=±4x(-x) = -16 \implies x^2 = 16 \implies x = \pm 4
  • x=4    z=4x = 4 \implies z = -4
  • x=4    z=4x = -4 \implies z = 4

此時我們得到另外兩個臨界點:

(4,0,4)(4,0,4)(4, 0, -4) \quad \text{與} \quad (-4, 0, 4)

其距離平方為 f(±4,0,4)=16+0+16=32f(\pm 4, 0, \mp 4) = 16 + 0 + 16 = 32

比較距離:

由於距離平方 16<3216 < 32,所以距離最短的點為 (0,4,0)(0, 4, 0)(0,4,0)(0, -4, 0)

故最接近原點的點為 (0,±4,0)\boxed{(0, \pm 4, 0)}