題目
Problem
8. Find the point on the surface given by x+8y+27z=14 that is closest to the origin. (8).
解答
解法一:拉格朗日乘子法(直接最速法,避免複雜代換)
思路
展開
- 本題要在約束條件 g(x,y,z)=x+22y+33z−14=0 下,最小化到原點的距離(即最小化距離平方 f(x,y,z)=x2+y2+z2)。
其中 x≥0,y≥0,z≥0。
- 第一步:建立拉格朗日乘子方程組 ∇f=λ∇g:
- 求偏導數:
∇f=⟨2x,2y,2z⟩
∇g=⟨2x1, y2, 2z33⟩
- 建立方程:
- 2x=2xλ⟹4x3/2=λ
- 2y=y2λ⟹2y3/2=2λ⟹y3/2=2λ
- 2z=2z33λ⟹4z3/2=33λ⟹z3/2=433λ
- 第二步:建立 y,z 與 x 的比例關係:
- 由上述式子消去 λ:
- λ=4x3/2。
- 代入 y 的方程: y3/2=24x3/2=22x3/2=(2)3/2x3/2⟹y=2x。
- 代入 z 的方程: z3/2=433(4x3/2)=33x3/2=(3)3/2x3/2⟹z=3x。
- 第三步:代回約束條件求解:
- x+8(2x)+27(3x)=14⟹x+4x+9x=14⟹14x=14⟹x=1。
- 因此 y=2,z=3。最接近點為 (1,2,3)。
答題過程
展開
我們要尋找曲面上離原點最近的點,這等價於在約束條件下最小化點 (x,y,z) 到原點的距離平方。
目標函數:
f(x,y,z)=x2+y2+z2
約束條件:
g(x,y,z)=x+8y+27z−14=0
我們將約束條件整理為(其中 x,y,z≥0):
g(x,y,z)=x1/2+22y1/2+33z1/2−14=0
根據拉格朗日乘子法,最優解滿足偏導平行:
∇f(x,y,z)=λ∇g(x,y,z)
我們分別計算梯度向量:
∇f=⟨2x,2y,2z⟩
∇g=⟨21x−1/2,2y−1/2,233z−1/2⟩
建立聯立方程組:
2x=λ(2x1)⟹4x3/2=λ— (1)
2y=λ(y2)⟹2y3/2=λ— (2)
2z=λ(2z33)⟹334z3/2=λ— (3)
x+8y+27z=14— (4)
由式 (1) 知 λ=4x3/2。我們將其代入式 (2) 與式 (3) 以消去 λ:
我們將 y=2x 與 z=3x 代回約束條件式 (4):
x+8(2x)+27(3x)=14
x+16x+81x=14
x+4x+9x=14
14x=14⟹x=1⟹x=1
代回比例關係可求得其他座標:
- y=2(1)=2
- z=3(1)=3
因此,曲面上離原點最近的點為 (1,2,3)。
結論:
(8) 處應填入 (1,2,3)。