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114 台綜大微積分 B 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 B

114學年度 · 114微積分B · 第 8 題

題目

Problem

Let f(x,y)=x+sin(x+2y)f(x, y) = x + \sin(x+2y). Find the unit vector in the direction in which ff increases most rapidly at the point (0,0)(0, 0) and give the rate of change of ff in that direction. (10%)

(8) 單位向量為 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad},變化率為 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題考查多元函數的梯度與方向導數性質。
  2. 多元函數 f(x,y)f(x, y) 在某一點處增加最快的方向即為該點處的梯度向量 f\nabla f 的方向
  3. 其對應的最大增加變化率即為該梯度向量的長度(模長,f\|\nabla f\|
  4. 第一步:求偏導數與梯度
    • fx(x,y)=1+cos(x+2y)(1)=1+cos(x+2y)f_x(x, y) = 1 + \cos(x+2y) \cdot (1) = 1 + \cos(x+2y)
    • fy(x,y)=cos(x+2y)(2)=2cos(x+2y)f_y(x, y) = \cos(x+2y) \cdot (2) = 2\cos(x+2y)
    • 將點 (0,0)(0, 0) 代入,求得 f(0,0)=fx(0,0),fy(0,0)\nabla f(0, 0) = \langle f_x(0,0), f_y(0,0) \rangle
  5. 第二步:標準化為單位向量
    • 單位向量 u=f(0,0)f(0,0)\mathbf{u} = \frac{\nabla f(0,0)}{\|\nabla f(0,0)\|}
  6. 變化率即為梯度長度 f(0,0)\|\nabla f(0,0)\|

答題過程

展開

第一步:計算函數在 (0,0)(0, 0) 的梯度

我們對函數 f(x,y)=x+sin(x+2y)f(x, y) = x + \sin(x+2y) 求偏導數:

fx=1+cos(x+2y)1=1+cos(x+2y)\frac{\partial f}{\partial x} = 1 + \cos(x+2y) \cdot 1 = 1 + \cos(x+2y) fy=cos(x+2y)2=2cos(x+2y)\frac{\partial f}{\partial y} = \cos(x+2y) \cdot 2 = 2\cos(x+2y)

將點 (x,y)=(0,0)(x, y) = (0, 0) 代入偏導數中:

fx(0,0)=1+cos(0)=1+1=2f_x(0, 0) = 1 + \cos(0) = 1 + 1 = 2 fy(0,0)=2cos(0)=2(1)=2f_y(0, 0) = 2\cos(0) = 2(1) = 2

因此,在原點 (0,0)(0, 0) 的梯度向量為:

f(0,0)=2,2\nabla f(0, 0) = \langle 2,\, 2 \rangle

第二步:求最大增加方向的單位向量

函數增加最快的方向即為梯度的方向。我們計算其長度:

f(0,0)=22+22=8=22\|\nabla f(0, 0)\| = \sqrt{2^2 + 2^2} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}

將其方向標準化,求出單位方向向量 u\mathbf{u}

u=f(0,0)f(0,0)=2,222=12,12\mathbf{u} = \frac{\nabla f(0, 0)}{\|\nabla f(0, 0)\|} = \frac{\langle 2,\, 2 \rangle}{2\sqrt{2}} = \left\langle \frac{1}{\sqrt{2}},\, \frac{1}{\sqrt{2}} \right\rangle

第三步:求最大變化率

函數在該方向上的最大增加變化率即為梯度向量的模長:

最大變化率=f(0,0)=22\text{最大變化率} = \|\nabla f(0, 0)\| = 2\sqrt{2}

結論:

  • 單位向量為 12,12\left\langle \frac{1}{\sqrt{2}},\, \frac{1}{\sqrt{2}} \right\rangle
  • 最大變化率為 222\sqrt{2}