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114 台綜大微積分 A 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 A

114學年度 · 114微積分A · 第 8 題

題目

Problem

Let CC be the curve of intersection of surfaces xy+yz+zx=14xy + yz + zx = -14 and x2+y2+z2=29x^2 + y^2 + z^2 = 29. The tangent line of curve CC at point (2,3,4)(2, 3, -4) is given by x2a=y3b=z+4\frac{x-2}{a} = \frac{y-3}{b} = z + 4. Find the values of a,ba, b. (10%)

(8) a=見解答a = \underline{\quad\text{見解答}\quad}, b=見解答b = \underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出兩曲面相交而成的空間曲線 CC,要求其在點 P(2,3,4)P(2, 3, -4) 處的切線方程式參數。
  2. 空間曲線在點 PP 的切線方向向量 T\mathbf{T} 必須同時垂直於兩曲面在該點處的法向量。
  3. 我們令兩曲面的隱函數表達式分別為:
    • F1(x,y,z)=xy+yz+zx+14=0F_1(x, y, z) = xy + yz + zx + 14 = 0
    • F2(x,y,z)=x2+y2+z229=0F_2(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 29 = 0
  4. 曲面在點 PP 的法向量為梯度的數值:
    • n1=F1(P)\mathbf{n}_1 = \nabla F_1(P)
    • n2=F2(P)\mathbf{n}_2 = \nabla F_2(P)
  5. 利用向量外積 (Cross Product) 求出同時垂直於 n1\mathbf{n}_1n2\mathbf{n}_2 的向量作為切線方向向量 T\mathbf{T}Tn1×n2\mathbf{T} \parallel \mathbf{n}_1 \times \mathbf{n}_2
  6. 將求得的方向向量與題目給出的切線比例式 x2a=y3b=z+41\frac{x-2}{a} = \frac{y-3}{b} = \frac{z+4}{1} 進行係數比對,即可求得 a,ba, b

答題過程

展開

第一步:計算兩曲面在 P(2,3,4)P(2, 3, -4) 處的法向量

我們將曲面方程式寫為隱函數形式:

  1. F1(x,y,z)=xy+yz+zx+14=0F_1(x, y, z) = xy + yz + zx + 14 = 0。對其求偏導數得梯度向量:

    F1(x,y,z)=y+z,x+z,x+y\nabla F_1(x, y, z) = \langle y+z,\, x+z,\, x+y \rangle

    將點 P(2,3,4)P(2, 3, -4) 代入:

    n1=F1(2,3,4)=34,24,2+3=1,2,5\mathbf{n}_1 = \nabla F_1(2, 3, -4) = \langle 3-4,\, 2-4,\, 2+3 \rangle = \langle -1,\, -2,\, 5 \rangle
  2. F2(x,y,z)=x2+y2+z229=0F_2(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 29 = 0。對其求偏導數得梯度向量:

    F2(x,y,z)=2x,2y,2z\nabla F_2(x, y, z) = \langle 2x,\, 2y,\, 2z \rangle

    將點 P(2,3,4)P(2, 3, -4) 代入:

    F2(2,3,4)=4,6,8\nabla F_2(2, 3, -4) = \langle 4,\, 6,\, -8 \rangle

    為了簡化外積計算,我們可以使用與其平行的向量作為法向量:

    n2=2,3,4\mathbf{n}_2 = \langle 2,\, 3,\, -4 \rangle

第二步:計算切線方向向量

空間曲線的切線方向 T\mathbf{T} 應與兩曲面法向量的外積平行:

Tn1×n2=det(ijk125234)=i((2)(4)(5)(3))j((1)(4)(5)(2))+k((1)(3)(2)(2))=i(815)j(410)+k(3+4)=7,6,1\begin{align*} \mathbf{T} \parallel \mathbf{n}_1 \times \mathbf{n}_2 =&\, \det \begin{pmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ -1 & -2 & 5 \\ 2 & 3 & -4 \end{pmatrix} \\[4mm] =&\, \mathbf{i} \big( (-2)(-4) - (5)(3) \big) - \mathbf{j} \big( (-1)(-4) - (5)(2) \big) + \mathbf{k} \big( (-1)(3) - (-2)(2) \big) \\[4mm] =&\, \mathbf{i}(8 - 15) - \mathbf{j}(4 - 10) + \mathbf{k}(-3 + 4) \\[4mm] =&\, \langle -7,\, 6,\, 1 \rangle \end{align*}

第三步:與切線方程進行比對

已知切線通過點 (2,3,4)(2, 3, -4),且其切線比例式為:

x2a=y3b=z+41\frac{x-2}{a} = \frac{y-3}{b} = \frac{z+4}{1}

這說明切線的方向向量可以表示為 a,b,1\langle a, b, 1 \rangle。 對照我們求得的方向向量 7,6,1\langle -7, 6, 1 \rangle,其 zz 分量恰好同為 11,故可直接比對出:

a=7,b=6a = -7, \quad b = 6

結論: a=7,b=6a = -7, \quad b = 6