題目
Problem
2. Find the point on the curve that is closest to the point . (10%)
解答
解法一(距離函數求導)
思路
展開
- 設曲線上任意一點為 ,其中 。
- 該點到已知點 的距離平方函數設為 :
- 將 展開並整理成二次多項式,再通過求導(或配方法)求其在 範圍內的極小值點。
- 求出 後,代回 即可得到最接近的點座標。
答題過程
展開
設曲線上任意點為 ,其中 。 該點到 的距離平方設為 :
egin{align*} f(x) =&\, (x - 1)^2 + (\sqrt{x} - 0)^2 \[2mm] =&\, x^2 - 2x + 1 + x \[2mm] =&\, x^2 - x + 1 \end{align*}為求最接近點,我們對 求導:
令 f'(x) = 0 \implies x = rac{1}{2}。
由於二次導數 ,故在 x = rac{1}{2} 處 取得絕對極小值(亦即距離最短)。 此時 座標為:
y = \sqrt{x} = \sqrt{rac{1}{2}} = rac{1}{\sqrt{2}}因此,曲線上距離 最近的點座標為:
\left(rac{1}{2}, rac{1}{\sqrt{2}} ight) \,.解法二(幾何梯度法)
思路
展開
- 利用幾何性質:曲線上距離已知點最近的點,其與已知點的連線向量必須垂直於該點處的切線向量(即平行於法線向量)。
- 定義隱函數 ,其梯度向量 即為法線方向。
- 設曲線點為 ,已知點為 。連線向量 ec{AP} = (a-1)\mathbf{i} + b\mathbf{j} 與 平行:
abla g(a, b)$$ 4. 解此平行關係即可求出 與 。
答題過程
展開
設曲線上最近的點為 ,滿足 且 。 定義隱函數:
其在點 的梯度向量(法線方向)為:
abla g(a, b) = \left. \left( -rac{1}{2\sqrt{x}}\mathbf{i} + \mathbf{j} ight) ight|_{(a, b)} = -rac{1}{2\sqrt{a}}\mathbf{i} + \mathbf{j}已知點為 ,連線向量為:
ec{AP} = (a - 1)\mathbf{i} + b\mathbf{j} = (a - 1)\mathbf{i} + \sqrt{a}\mathbf{j}因為連線向量必須平行於法線方向:
ec{AP} \parallel abla g(a, b) \implies rac{a - 1}{-rac{1}{2\sqrt{a}}} = rac{\sqrt{a}}{1}展開並解方程:
a - 1 = -rac{1}{2\sqrt{a}} \cdot \sqrt{a} \implies a - 1 = -rac{1}{2} \implies a = rac{1}{2}代回 b = \sqrt{a} = rac{1}{\sqrt{2}}。
故最接近的點座標為:
\left(rac{1}{2}, rac{1}{\sqrt{2}} ight) \,.