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112 台綜大微積分(A) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

112學年度 · 112微積分A · 第 2 題

題目

Problem

2. Find the point on the curve y=xy = \sqrt{x} that is closest to the point (1,0)(1, 0). (10%)

解答

解法一(距離函數求導)

思路

展開
  1. 設曲線上任意一點為 P(x,y)=(x,x)P(x, y) = (x, \sqrt{x}),其中 x0x \ge 0
  2. 該點到已知點 A(1,0)A(1, 0) 的距離平方函數設為 f(x)f(x)f(x)=d2=(x1)2+(y0)2=(x1)2+xf(x) = d^2 = (x-1)^2 + (y-0)^2 = (x-1)^2 + x
  3. f(x)f(x) 展開並整理成二次多項式,再通過求導(或配方法)求其在 x0x \ge 0 範圍內的極小值點。
  4. 求出 xx 後,代回 y=xy = \sqrt{x} 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 P(x,x)P(x, \sqrt{x}),其中 x0x \ge 0。 該點到 A(1,0)A(1, 0) 的距離平方設為 f(x)f(x)

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 f(x)f(x) 求導:

f(x)=2x1f'(x) = 2x - 1

f'(x) = 0 \implies x = rac{1}{2}

由於二次導數 f(x)=2>0f''(x) = 2 > 0,故在 x = rac{1}{2}f(x)f(x) 取得絕對極小值(亦即距離最短)。 此時 yy 座標為:

y = \sqrt{x} = \sqrt{ rac{1}{2}} = rac{1}{\sqrt{2}}

因此,曲線上距離 (1,0)(1, 0) 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
  1. 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)。
  2. 定義隱函數 g(x,y)=yx=0g(x, y) = y - \sqrt{x} = 0,其梯度向量 ablag(x,y) abla g(x, y) 即為法線方向。
  3. 設曲線點為 P(a,b)P(a, b),已知點為 A(1,0)A(1, 0)。連線向量 ec{AP} = (a-1)\mathbf{i} + b\mathbf{j}ablag(a,b) abla g(a, b) 平行:

abla g(a, b)$$ 4. 解此平行關係即可求出 aabb

答題過程

展開

設曲線上最近的點為 P(a,b)P(a, b),滿足 b=ab = \sqrt{a}a0a \ge 0。 定義隱函數:

g(x,y)=yx=0g(x, y) = y - \sqrt{x} = 0

其在點 P(a,b)P(a, b) 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 A(1,0)A(1, 0),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) \,.