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112 台灣大學微積分(C) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

112學年度 · 112台大微積分C · 第 2 題

題目

Problem

2. Suppose that 3+yx3−xy−1=0\sqrt{3 + y} x^3 - xy - 1 = 0. At (x,y)=(1,1)(x, y) = (1, 1), dxdy=(2)‾\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y} = \underline{\quad (2) \quad}. By the linear approximation, we can approximate the real root of 4.1x3−1.1x−1=0\sqrt{4.1} x^3 - 1.1x - 1 = 0 with (3)‾\underline{\quad (3) \quad}.

解答

解法一

思路

展開

本題分為兩個部分:隱函數求導與線性逼近。

  1. 第一部分:求 dxdy∣(1,1)\left. \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y} \right|_{(1,1)}
    • 令 ϕ(x,y)=3+yx3−xy−1=0\phi(x, y) = \sqrt{3+y} x^3 - xy - 1 = 0。
    • 計算偏導數:
      • ϕx=3x23+y−y\phi_x = 3x^2 \sqrt{3+y} - y。在 (1,1)(1,1) 處為 3(1)(2)−1=53(1)(2) - 1 = 5。
      • ϕy=x323+y−x\phi_y = \frac{x^3}{2\sqrt{3+y}} - x。在 (1,1)(1,1) 處為 14−1=−34\frac{1}{4} - 1 = -\frac{3}{4}。
    • 利用隱函數偏導公式: dxdy∣(1,1)=−ϕy(1,1)ϕx(1,1)=−−3/45=320\left. \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y} \right|_{(1,1)} = -\frac{\phi_y(1,1)}{\phi_x(1,1)} = -\frac{-3/4}{5} = \frac{3}{20}
  2. 第二部分:線性逼近實數根
    • 欲求 4.1x3−1.1x−1=0\sqrt{4.1} x^3 - 1.1x - 1 = 0 的實根。
    • 觀察此方程形式,這恰好是隱函數方程 ϕ(x0,y0)=0\phi(x_0, y_0) = 0 當 y0=1.1y_0 = 1.1 時的值!(因 3+y0=4.1  ⟹  y0=1.13+y_0 = 4.1 \implies y_0 = 1.1)。
    • 我們需要在點 (1,1)(1,1) 處對隱函數關係 x(y)x(y) 進行一階線性逼近: x(y)≈x(1)+dxdy∣(1,1)(y−1)x(y) \approx x(1) + \left. \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y} \right|_{(1,1)} (y - 1)
    • 代入 y=1.1y = 1.1: x(1.1)≈1+320(1.1−1)=1+320(0.1)=1+0.015=1.015x(1.1) \approx 1 + \frac{3}{20}(1.1 - 1) = 1 + \frac{3}{20}(0.1) = 1 + 0.015 = 1.015

答題過程

展開

我們先定義二元函數:

ϕ(x,y)=3+yx3−xy−1=0\phi(x, y) = \sqrt{3 + y} x^3 - xy - 1 = 0

(1) 求解 dxdy∣(1,1)\left. \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y} \right|_{(1,1)}

我們利用隱函數的偏導數公式:

dxdy=−∂ϕ∂y∂ϕ∂x\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y} = -\frac{\frac{\partial \phi}{\partial y}}{\frac{\partial \phi}{\partial x}}

我們對 ϕ\phi 分別關於 xx 與 yy 求偏導:

  • ∂ϕ∂x=3x23+y−y\displaystyle \frac{\partial \phi}{\partial x} = 3x^2 \sqrt{3+y} - y
  • ∂ϕ∂y=x323+y−x\displaystyle \frac{\partial \phi}{\partial y} = \frac{x^3}{2\sqrt{3+y}} - x

代入點 (x,y)=(1,1)(x, y) = (1, 1):

  • ∂ϕ∂x∣(1,1)=3(1)23+1−1=3(2)−1=5\displaystyle \left. \frac{\partial \phi}{\partial x} \right|_{(1,1)} = 3(1)^2 \sqrt{3+1} - 1 = 3(2) - 1 = 5
  • ∂ϕ∂y∣(1,1)=1323+1−1=14−1=−34\displaystyle \left. \frac{\partial \phi}{\partial y} \right|_{(1,1)} = \frac{1^3}{2\sqrt{3+1}} - 1 = \frac{1}{4} - 1 = -\frac{3}{4}

因此:

dxdy∣(1,1)=−−3/45=320=0.15\left. \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y} \right|_{(1,1)} = -\frac{-3/4}{5} = \frac{3}{20} = 0.15

(2) 求解 4.1x3−1.1x−1=0\sqrt{4.1} x^3 - 1.1x - 1 = 0 的線性逼近根

我們注意到,方程式 4.1x3−1.1x−1=0\sqrt{4.1} x^3 - 1.1x - 1 = 0 相當於在隱函數 ϕ(x,y)=0\phi(x, y) = 0 中,將 yy 設為 1.11.1。 我們可以使用函數 x(y)x(y) 在 y=1y = 1 處的一階泰勒展開(線性逼近):

x(y)≈x(1)+x′(1)(y−1)x(y) \approx x(1) + x'(1)(y - 1)

已知:

  • x(1)=1x(1) = 1
  • x′(1)=dxdy∣(1,1)=320x'(1) = \left. \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}y} \right|_{(1,1)} = \frac{3}{20}
  • 當前 y=1.1  ⟹  y−1=0.1y = 1.1 \implies y - 1 = 0.1

代入線性逼近公式:

x(1.1)≈1+320(1.1−1)=1+0.15(0.1)=1+0.015=1.015x(1.1) \approx 1 + \frac{3}{20}(1.1 - 1) = 1 + 0.15(0.1) = 1 + 0.015 = 1.015

結論:

  • (2) 處填入 320\displaystyle \frac{3}{20} (或 0.150.15)。
  • (3) 處填入 1.0151.015。