題目
Problem
2. Suppose that 3+yx3−xy−1=0. At (x,y)=(1,1), dydx=(2). By the linear approximation, we can approximate the real root of 4.1x3−1.1x−1=0 with (3).
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。
- 第一部分:求 dydx(1,1)
- 令 ϕ(x,y)=3+yx3−xy−1=0。
- 計算偏導數:
- ϕx=3x23+y−y。在 (1,1) 處為 3(1)(2)−1=5。
- ϕy=23+yx3−x。在 (1,1) 處為 41−1=−43。
- 利用隱函數偏導公式:
dydx(1,1)=−ϕx(1,1)ϕy(1,1)=−5−3/4=203
- 第二部分:線性逼近實數根
- 欲求 4.1x3−1.1x−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 當 y0=1.1 時的值!(因 3+y0=4.1⟹y0=1.1)。
- 我們需要在點 (1,1) 處對隱函數關係 x(y) 進行一階線性逼近:
x(y)≈x(1)+dydx(1,1)(y−1)
- 代入 y=1.1:
x(1.1)≈1+203(1.1−1)=1+203(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
(1) 求解 dydx(1,1)
我們利用隱函數的偏導數公式:
dydx=−∂x∂ϕ∂y∂ϕ
我們對 ϕ 分別關於 x 與 y 求偏導:
- ∂x∂ϕ=3x23+y−y
- ∂y∂ϕ=23+yx3−x
代入點 (x,y)=(1,1):
- ∂x∂ϕ(1,1)=3(1)23+1−1=3(2)−1=5
- ∂y∂ϕ(1,1)=23+113−1=41−1=−43
因此:
dydx(1,1)=−5−3/4=203=0.15
(2) 求解 4.1x3−1.1x−1=0 的線性逼近根
我們注意到,方程式 4.1x3−1.1x−1=0 相當於在隱函數 ϕ(x,y)=0 中,將 y 設為 1.1。
我們可以使用函數 x(y) 在 y=1 處的一階泰勒展開(線性逼近):
x(y)≈x(1)+x′(1)(y−1)
已知:
- x(1)=1
- x′(1)=dydx(1,1)=203
- 當前 y=1.1⟹y−1=0.1
代入線性逼近公式:
x(1.1)≈1+203(1.1−1)=1+0.15(0.1)=1+0.015=1.015
結論:
- (2) 處填入 203 (或 0.15)。
- (3) 處填入 1.015。