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113 台大微積分(B) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台大 / 微積分(B)

113學年度 · 113微積分(B) · 第 5 題

題目

Problem

2. 續題:

The tangent plane of the graph of g(x,y)=2yxxy+1g(x, y) = 2y^x - x - y + 1 at (0,2,1)(0, 2, 1) is (5)\underline{\quad(5)\quad} .

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求三維空間中曲面 z=g(x,y)=2yxxy+1z = g(x, y) = 2y^x - x - y + 1 在給定點 (0,2,1)(0, 2, 1) 處的切平面方程式。
  2. 曲面 z=g(x,y)z = g(x,y) 的切平面方程式公式為: zz0=gx(x0,y0)(xx0)+gy(x0,y0)(yy0)z - z_0 = g_x(x_0, y_0)(x - x_0) + g_y(x_0, y_0)(y - y_0) 其中 (x0,y0,z0)=(0,2,1)(x_0, y_0, z_0) = (0, 2, 1)
  3. 第一步:求偏導函數
    • gx(x,y)=x(2yxxy+1)=2yxlny1g_x(x,y) = \frac{\partial}{\partial x}(2y^x - x - y + 1) = 2y^x \ln y - 1
    • gy(x,y)=y(2yxxy+1)=2xyx11g_y(x,y) = \frac{\partial}{\partial y}(2y^x - x - y + 1) = 2x y^{x-1} - 1
  4. 第二步:代入 (0,2)(0,2) 求斜率(偏導值)
    • gx(0,2)=2(20)ln21=2ln21g_x(0, 2) = 2(2^0) \ln 2 - 1 = 2\ln 2 - 1
    • gy(0,2)=2(0)(21)1=1g_y(0, 2) = 2(0)(2^{-1}) - 1 = -1
  5. 第三步:寫出切平面方程式並整理
    • 代入點斜式: z1=(2ln21)(x0)1(y2)z - 1 = (2\ln 2 - 1)(x - 0) - 1(y - 2)
    • 將其整理為一般平面方程式形式 Ax+By+Cz+D=0Ax + By + Cz + D = 0

答題過程

展開

曲面方程式給定為:

z=g(x,y)=2yxxy+1z = g(x, y) = 2y^x - x - y + 1

切平面通過的切點為 (x0,y0,z0)=(0,2,1)(x_0, y_0, z_0) = (0, 2, 1)。 我們計算函數 g(x,y)g(x, y) 在該點的偏導數(斜率):

  1. 關於 xx 的偏導數

    gx(x,y)=x(2exlnyxy+1)=2yxlny1g_x(x, y) = \frac{\partial}{\partial x} \left( 2e^{x\ln y} - x - y + 1 \right) = 2y^x \ln y - 1

    代入 (0,2)(0, 2)

    gx(0,2)=2(20)ln21=2ln21g_x(0, 2) = 2(2^0) \ln 2 - 1 = 2\ln 2 - 1
  2. 關於 yy 的偏導數

    gy(x,y)=y(2yxxy+1)=2xyx11g_y(x, y) = \frac{\partial}{\partial y} \left( 2y^x - x - y + 1 \right) = 2x y^{x-1} - 1

    代入 (0,2)(0, 2)

    gy(0,2)=2(0)(21)1=1g_y(0, 2) = 2(0)(2^{-1}) - 1 = -1

使用曲面切平面方程式的公式:

zz0=gx(x0,y0)(xx0)+gy(x0,y0)(yy0)z - z_0 = g_x(x_0, y_0)(x - x_0) + g_y(x_0, y_0)(y - y_0)

x0=0,y0=2,z0=1x_0 = 0, y_0 = 2, z_0 = 1 以及偏導值代入:

z1=(2ln21)(x0)1(y2)z - 1 = (2\ln 2 - 1)(x - 0) - 1(y - 2)

展開並移項整理:

z1=(2ln21)xy+2z - 1 = (2\ln 2 - 1)x - y + 2 (2ln21)xyz+3=0(2\ln 2 - 1)x - y - z + 3 = 0

結論: (5) 填入 (2ln21)xyz+3=0(2\ln 2 - 1)x - y - z + 3 = 0(或寫作 z1=(2ln21)x(y2)z - 1 = (2\ln 2 - 1)x - (y - 2))。