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112 政治大學微積分(應數大二一) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二一)

112學年度 · 112微積分應數大二一 · 第 5 題

題目

Problem

5. The temperature distribution on the surface x2+y2+z2=1x^2 + y^2 + z^2 = 1 is given by T(x,y,z)=xz+yzT(x, y, z) = xz + yz. Find the hottest spot. (10%)

解答

解法一:使用拉格朗日乘子法(Lagrange Multipliers,最推薦)

思路

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  1. 本題要求連續溫度函數 T(x,y,z)=xz+yzT(x, y, z) = xz + yz 在球面 g(x,y,z)=x2+y2+z2=1g(x,y,z) = x^2 + y^2 + z^2 = 1 上的最大值點(Hottest spot)。
  2. 第一步:建立拉格朗日乘子方程式: ∇T=λ∇g\nabla T = \lambda \nabla g
    • z=2λx— (1)z = 2\lambda x \quad \text{--- (1)}
    • z=2λy— (2)z = 2\lambda y \quad \text{--- (2)}
    • x+y=2λz— (3)x + y = 2\lambda z \quad \text{--- (3)}
    • x2+y2+z2=1— (4)x^2 + y^2 + z^2 = 1 \quad \text{--- (4)}
  3. 第二步:求解聯立方程組:
    • 由 (1) 與 (2) 易知 2λ(x−y)=02\lambda(x - y) = 0。
    • 若 λ=0  ⟹  z=0  ⟹  x+y=0  ⟹  T=0\lambda = 0 \implies z = 0 \implies x+y=0 \implies T = 0(非最高溫)。
    • 故必有 x=yx = y。
    • 將 x=yx=y 代入 (3) 得 2x=2λz  ⟹  x=λz2x = 2\lambda z \implies x = \lambda z。
    • 代入 (1) 得 z=2λ(λz)=2λ2z  ⟹  z(1−2λ2)=0z = 2\lambda(\lambda z) = 2\lambda^2 z \implies z(1 - 2\lambda^2) = 0。
    • 若 z=0  ⟹  x=y=0  ⟹  z = 0 \implies x = y = 0 \implies 不滿足球面方程式。
    • 故 1−2λ2=0  ⟹  λ=±121 - 2\lambda^2 = 0 \implies \lambda = \pm \frac{1}{\sqrt{2}}。
  4. 第三步:解出對應的坐標並計算溫度:
    • 當 λ=12\lambda = \frac{1}{\sqrt{2}} 時: z=2x  ⟹  x2+x2+(2x)2=1  ⟹  4x2=1  ⟹  x=±1/2z = \sqrt{2}x \implies x^2 + x^2 + (\sqrt{2}x)^2 = 1 \implies 4x^2 = 1 \implies x = \pm 1/2。
    • 此時有兩組解點: (12,12,22)\left( \frac{1}{2}, \frac{1}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2} \right) (溫度為 22\frac{\sqrt{2}}{2})與 (−12,−12,−22)\left( -\frac{1}{2}, -\frac{1}{2}, -\frac{\sqrt{2}}{2} \right)(溫度為 22\frac{\sqrt{2}}{2})。
    • 經檢驗,這兩點均為最高溫點。

答題過程

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設目標函數為 T(x,y,z)=xz+yzT(x, y, z) = xz + yz,約束條件為 g(x,y,z)=x2+y2+z2=1g(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 = 1。 我們寫出拉格朗日方程組:

∇T(x,y,z)=λ∇g(x,y,z)\nabla T(x, y, z) = \lambda \nabla g(x, y, z)

對應的偏導關係與約束方程為:

z=2λx— (1)z = 2\lambda x \quad \text{--- (1)} z=2λy— (2)z = 2\lambda y \quad \text{--- (2)} x+y=2λz— (3)x + y = 2\lambda z \quad \text{--- (3)} x2+y2+z2=1— (4)x^2 + y^2 + z^2 = 1 \quad \text{--- (4)}

由式 (1) 與式 (2) 可得:

2λx=2λy  ⟹  2λ(x−y)=02\lambda x = 2\lambda y \implies 2\lambda(x - y) = 0

我們分情況討論:

  • 情況一:若 λ=0\lambda = 0 代回 (1) 與 (2) 可得 z=0z = 0。由式 (3) 可得 x+y=0  ⟹  y=−xx + y = 0 \implies y = -x。 此時溫度為 T(x,−x,0)=0T(x, -x, 0) = 0。這顯然不是最高溫度。
  • 情況二:若 λ≠0\lambda \neq 0 此時必有 x=yx = y。 我們將 x=yx = y 代入式 (3): 2x=2λz  ⟹  x=λz— (5)2x = 2\lambda z \implies x = \lambda z \quad \text{--- (5)} 我們將式 (5) 代回式 (1): z=2λ(λz)=2λ2z  ⟹  z(1−2λ2)=0z = 2\lambda(\lambda z) = 2\lambda^2 z \implies z\left( 1 - 2\lambda^2 \right) = 0
    • 若 z=0z = 0,由 (5) 可得 x=0x = 0,則 x=y=z=0x=y=z=0,這不符合約束方程式 (4)。故 z≠0z \neq 0。
    • 因此必有: 1−2λ2=0  ⟹  λ=±121 - 2\lambda^2 = 0 \implies \lambda = \pm \frac{1}{\sqrt{2}}

我們將 λ\lambda 的值代入求解坐標:

  1. 若 λ=12\lambda = \frac{1}{\sqrt{2}}: 由式 (5) 可得 z=2xz = \sqrt{2}x。代入球面方程 (4): x2+x2+(2x)2=1  ⟹  4x2=1  ⟹  x=±12x^2 + x^2 + (\sqrt{2}x)^2 = 1 \implies 4x^2 = 1 \implies x = \pm\frac{1}{2}
    • 當 x=12x = \frac{1}{2} 時, y=12y = \frac{1}{2}, z=22z = \frac{\sqrt{2}}{2}。此處溫度為: T(12, 12, 22)=(12)(22)+(12)(22)=22T\left(\frac{1}{2},\, \frac{1}{2},\, \frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) + \left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2}
    • 當 x=−12x = -\frac{1}{2} 時, y=−12y = -\frac{1}{2}, z=−22z = -\frac{\sqrt{2}}{2}。此處溫度為: T(−12, −12, −22)=(−12)(−22)+(−12)(−22)=22T\left(-\frac{1}{2},\, -\frac{1}{2},\, -\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \left(-\frac{1}{2}\right)\left(-\frac{\sqrt{2}}{2}\right) + \left(-\frac{1}{2}\right)\left(-\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2}
  2. 若 λ=−12\lambda = -\frac{1}{\sqrt{2}}: 同理可得 z=−2xz = -\sqrt{2}x,代入球面方程可得 x=±12x = \pm\frac{1}{2}。
    • 此處對應的解點為 (12, 12, −22)\left(\frac{1}{2},\, \frac{1}{2},\, -\frac{\sqrt{2}}{2}\right) 與 (−12, −12, 22)\left(-\frac{1}{2},\, -\frac{1}{2},\, \frac{\sqrt{2}}{2}\right)。
    • 這些點的溫度值為 −22-\frac{\sqrt{2}}{2},對應絕對最低溫(最冷點)。

比對可得,最高溫度為 22\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}。 最高溫點(Hottest spots)共有兩個:

(x,y,z)=(12,12,22)與(−12,−12,−22)(x, y, z) = \left( \frac{1}{2}, \frac{1}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2} \right) \quad \text{與} \quad \left( -\frac{1}{2}, -\frac{1}{2}, -\frac{\sqrt{2}}{2} \right)

結論: 最熱點為 (12,12,22)\displaystyle \left( \frac{1}{2}, \frac{1}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2} \right) 與 (−12,−12,−22)\displaystyle \left( -\frac{1}{2}, -\frac{1}{2}, -\frac{\sqrt{2}}{2} \right),最高溫度為 22\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}。


解法二:使用標準球面座標代換法

答題過程

展開

球面 x2+y2+z2=1x^2 + y^2 + z^2 = 1 可以用標準球面座標表示(設半徑 ρ=1\rho = 1):

{x=sin⁡ϕcos⁡θy=sin⁡ϕsin⁡θz=cos⁡ϕ(其中 ϕ∈[0,π], θ∈[0,2π])\begin{cases} x = \sin\phi \cos\theta \\ y = \sin\phi \sin\theta \\ z = \cos\phi \end{cases} \quad (\text{其中 } \phi \in [0, \pi], \ \theta \in [0, 2\pi])

我們將其代入溫度函數 TT:

T(θ,ϕ)= (sin⁡ϕcos⁡θ)(cos⁡ϕ)+(sin⁡ϕsin⁡θ)(cos⁡ϕ)= sin⁡ϕcos⁡ϕ(cos⁡θ+sin⁡θ)= (12sin⁡(2ϕ))(2sin⁡(θ+π4))= 22sin⁡(2ϕ)sin⁡(θ+π4)\begin{align*} T(\theta, \phi) =&\, (\sin\phi \cos\theta)(\cos\phi) + (\sin\phi \sin\theta)(\cos\phi) \\[2mm] =&\, \sin\phi \cos\phi \left( \cos\theta + \sin\theta \right) \\[2mm] =&\, \left( \frac{1}{2}\sin(2\phi) \right) \left( \sqrt{2}\sin\left(\theta + \frac{\pi}{4}\right) \right) \\[2mm] =&\, \frac{\sqrt{2}}{2} \sin(2\phi) \sin\left(\theta + \frac{\pi}{4}\right) \end{align*}

要使得 TT 取得最大值,我們必須讓兩個正弦乘積項同時達到最大:

  1. sin⁡(2ϕ)=1  ⟹  2ϕ=π2  ⟹  ϕ=π4\sin(2\phi) = 1 \implies 2\phi = \frac{\pi}{2} \implies \phi = \frac{\pi}{4} (此時 ϕ∈[0,π]\phi \in [0, \pi] 符合)。
  2. sin⁡(θ+π4)=1  ⟹  θ+π4=π2  ⟹  θ=π4\sin\left(\theta + \frac{\pi}{4}\right) = 1 \implies \theta + \frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{2} \implies \theta = \frac{\pi}{4}。

此時對應的直角坐標為:

  • x=sin⁡(π/4)cos⁡(π/4)=12x = \sin(\pi/4) \cos(\pi/4) = \frac{1}{2}
  • y=sin⁡(π/4)sin⁡(π/4)=12y = \sin(\pi/4) \sin(\pi/4) = \frac{1}{2}
  • z=cos⁡(π/4)=22z = \cos(\pi/4) = \frac{\sqrt{2}}{2}

另外,兩個正弦乘積項也可以同時為 −1-1(相乘仍為 11):

  1. sin⁡(2ϕ)=−1  ⟹  2ϕ=3π2  ⟹  ϕ=3π4\sin(2\phi) = -1 \implies 2\phi = \frac{3\pi}{2} \implies \phi = \frac{3\pi}{4}。
  2. sin⁡(θ+π4)=−1  ⟹  θ+π4=3π2  ⟹  θ=5π4\sin\left(\theta + \frac{\pi}{4}\right) = -1 \implies \theta + \frac{\pi}{4} = \frac{3\pi}{2} \implies \theta = \frac{5\pi}{4}。

此時對應的直角坐標為:

  • x=sin⁡(3π/4)cos⁡(5π/4)=(12)(−12)=−12x = \sin(3\pi/4) \cos(5\pi/4) = \left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}}\right) = -\frac{1}{2}
  • y=sin⁡(3π/4)sin⁡(5π/4)=(12)(−12)=−12y = \sin(3\pi/4) \sin(5\pi/4) = \left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)\left(-\frac{1}{\sqrt{2}}\right) = -\frac{1}{2}
  • z=cos⁡(3π/4)=−22z = \cos(3\pi/4) = -\frac{\sqrt{2}}{2}

此處的最大溫度同樣為 Tmax⁡=22T_{\max} = \frac{\sqrt{2}}{2}。