Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

113 台綜大微積分(A) 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

113學年度 · 113微積分A · 第 7 題

題目

Problem

7. Find the direction in which the function f(x,y)=ln(xy)f(x, y) = \ln(xy) decreases fastest at the point (1,2)(1, 2)? What is the rate of decrease? (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 梯度與方向導數的性質
    • 函數 f(x,y)f(x,y) 增加最快的方向是其梯度向量 f(x,y)\nabla f(x,y),增加率為梯度模長 f\|\nabla f\|
    • 函數 f(x,y)f(x,y) 減少最快的方向是其負梯度向量 f(x,y)-\nabla f(x,y),減少速率(減少率)同樣為 f\|\nabla f\|(若以負號表示變化率,則為 f-\|\nabla f\|)。
  2. 第一步:求出偏導與梯度向量
    • f(x,y)=ln(xy)=lnx+lnyf(x,y) = \ln(xy) = \ln x + \ln y (在 x,y>0x, y > 0 時)。
    • f(x,y)=fx,fy=1x,1y\nabla f(x,y) = \langle f_x, f_y \rangle = \left\langle \frac{1}{x}, \frac{1}{y} \right\rangle
  3. 第二步:計算在點 (1,2)(1,2) 的梯度值與模長
    • f(1,2)=1,12\nabla f(1,2) = \left\langle 1, \frac{1}{2} \right\rangle
    • 模長為: f(1,2)=12+(1/2)2=52\|\nabla f(1,2)\| = \sqrt{1^2 + (1/2)^2} = \frac{\sqrt{5}}{2}
  4. 第三步:求出最速下降方向的單位向量與下降速率
    • 最速下降方向為負梯度方向: f(1,2)=1,12-\nabla f(1,2) = \left\langle -1, -\frac{1}{2} \right\rangle
    • 其單位向量為: u=ff=25,15\mathbf{u} = \frac{-\nabla f}{\|\nabla f\|} = \left\langle -\frac{2}{\sqrt{5}}, -\frac{1}{\sqrt{5}} \right\rangle
    • 下降的速率(即最大減少率)為梯度模長: 52\frac{\sqrt{5}}{2}(此時變化率為 52-\frac{\sqrt{5}}{2})。

答題過程

展開

根據多變數微積分的性質,對於可微函數 f(x,y)f(x, y)

  • 函數增加最快的方向為梯度向量 f\nabla f
  • 函數減少最快的方向為負梯度向量 f-\nabla f
  • 最大減少速率為梯度向量的模長 f\|\nabla f\|

我們首先在第一象限(包含點 (1,2)(1,2))簡化函數:

f(x,y)=ln(xy)=lnx+lnyf(x, y) = \ln(xy) = \ln x + \ln y

計算其一階偏導數以取得梯度向量:

fx=x(lnx+lny)=1xf_x = \frac{\partial}{\partial x}(\ln x + \ln y) = \frac{1}{x} fy=y(lnx+lny)=1yf_y = \frac{\partial}{\partial y}(\ln x + \ln y) = \frac{1}{y}

所以梯度向量為:

f(x,y)=1x,1y\nabla f(x, y) = \left\langle \frac{1}{x},\, \frac{1}{y} \right\rangle

將點 (1,2)(1, 2) 代入梯度中:

f(1,2)=1,12\nabla f(1, 2) = \left\langle 1,\, \frac{1}{2} \right\rangle
  1. 最速下降方向: 為負梯度向量 f(1,2)-\nabla f(1, 2)

    f(1,2)=1,12-\nabla f(1, 2) = \left\langle -1,\, -\frac{1}{2} \right\rangle

    我們通常將其化為單位方向向量 u\mathbf{u}

    f(1,2)=12+(12)2=54=52\|\nabla f(1, 2)\| = \sqrt{1^2 + \left(\frac{1}{2}\right)^2} = \sqrt{\frac{5}{4}} = \frac{\sqrt{5}}{2} u=f(1,2)f(1,2)=1,1/252=25,15\mathbf{u} = \frac{-\nabla f(1,2)}{\|\nabla f(1,2)\|} = \frac{\langle -1,\, -1/2 \rangle}{\frac{\sqrt{5}}{2}} = \left\langle -\frac{2}{\sqrt{5}},\, -\frac{1}{\sqrt{5}} \right\rangle
  2. 最速下降速率: 即為梯度模長(表示為正值下降率):

    Rate of decrease=f(1,2)=52\text{Rate of decrease} = \|\nabla f(1, 2)\| = \frac{\sqrt{5}}{2}

    (註:若問變化率,則變化率為 52-\frac{\sqrt{5}}{2}。)

結論:

  • 最速下降方向為 25,15\displaystyle \left\langle -\frac{2}{\sqrt{5}},\, -\frac{1}{\sqrt{5}} \right\rangle(或向量 1,12\displaystyle \left\langle -1,\, -\frac{1}{2} \right\rangle 及其正實數倍方向)。
  • 下降速率為 52\displaystyle \frac{\sqrt{5}}{2}