題目
Problem
Let f ( x , y ) = x + sin ( x + 2 y ) f(x, y) = x + \sin(x+2y) f ( x , y ) = x + sin ( x + 2 y ) .
Find the unit vector in the direction in which f f f increases most rapidly at the point ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) and give the rate of change of f f f in that direction. (10%)
(8) 單位向量為 見解答 ‾ \underline{\quad\text{見解答}\quad} 見解答 ,變化率為 見解答 ‾ \underline{\quad\text{見解答}\quad} 見解答 .
解答
解法一
思路
展開
本題考查多元函數的梯度與方向導數性質。
多元函數 f ( x , y ) 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 ∇ f 的方向 。
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\| ∥∇ f ∥ ) 。
第一步:求偏導數與梯度 :
f x ( x , y ) = 1 + cos ( x + 2 y ) ⋅ ( 1 ) = 1 + cos ( x + 2 y ) f_x(x, y) = 1 + \cos(x+2y) \cdot (1) = 1 + \cos(x+2y) f x ( x , y ) = 1 + cos ( x + 2 y ) ⋅ ( 1 ) = 1 + cos ( x + 2 y )
f y ( x , y ) = cos ( x + 2 y ) ⋅ ( 2 ) = 2 cos ( x + 2 y ) f_y(x, y) = \cos(x+2y) \cdot (2) = 2\cos(x+2y) f y ( x , y ) = cos ( x + 2 y ) ⋅ ( 2 ) = 2 cos ( x + 2 y )
將點 ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) 代入,求得 ∇ f ( 0 , 0 ) = ⟨ f x ( 0 , 0 ) , f y ( 0 , 0 ) ⟩ \nabla f(0, 0) = \langle f_x(0,0), f_y(0,0) \rangle ∇ f ( 0 , 0 ) = ⟨ f x ( 0 , 0 ) , f y ( 0 , 0 )⟩ 。
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)\|} u = ∥∇ f ( 0 , 0 ) ∥ ∇ f ( 0 , 0 ) 。
變化率即為梯度長度 ∥ ∇ f ( 0 , 0 ) ∥ \|\nabla f(0,0)\| ∥∇ f ( 0 , 0 ) ∥ 。
答題過程
展開
第一步:計算函數在 ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) 的梯度
我們對函數 f ( x , y ) = x + sin ( x + 2 y ) f(x, y) = x + \sin(x+2y) f ( x , y ) = x + sin ( x + 2 y ) 求偏導數:
∂ f ∂ x = 1 + cos ( x + 2 y ) ⋅ 1 = 1 + cos ( x + 2 y ) \frac{\partial f}{\partial x} = 1 + \cos(x+2y) \cdot 1 = 1 + \cos(x+2y) ∂ x ∂ f = 1 + cos ( x + 2 y ) ⋅ 1 = 1 + cos ( x + 2 y )
∂ f ∂ y = cos ( x + 2 y ) ⋅ 2 = 2 cos ( x + 2 y ) \frac{\partial f}{\partial y} = \cos(x+2y) \cdot 2 = 2\cos(x+2y) ∂ y ∂ f = cos ( x + 2 y ) ⋅ 2 = 2 cos ( x + 2 y )
將點 ( x , y ) = ( 0 , 0 ) (x, y) = (0, 0) ( x , y ) = ( 0 , 0 ) 代入偏導數中:
f x ( 0 , 0 ) = 1 + cos ( 0 ) = 1 + 1 = 2 f_x(0, 0) = 1 + \cos(0) = 1 + 1 = 2 f x ( 0 , 0 ) = 1 + cos ( 0 ) = 1 + 1 = 2
f y ( 0 , 0 ) = 2 cos ( 0 ) = 2 ( 1 ) = 2 f_y(0, 0) = 2\cos(0) = 2(1) = 2 f y ( 0 , 0 ) = 2 cos ( 0 ) = 2 ( 1 ) = 2
因此,在原點 ( 0 , 0 ) (0, 0) ( 0 , 0 ) 的梯度向量為:
∇ f ( 0 , 0 ) = ⟨ 2 , 2 ⟩ \nabla f(0, 0) = \langle 2,\, 2 \rangle ∇ f ( 0 , 0 ) = ⟨ 2 , 2 ⟩
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 ) ∥ = 2 2 + 2 2 = 8 = 2 2 \|\nabla f(0, 0)\| = \sqrt{2^2 + 2^2} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2} ∥∇ f ( 0 , 0 ) ∥ = 2 2 + 2 2 = 8 = 2 2
將其方向標準化,求出單位方向向量 u \mathbf{u} u :
u = ∇ f ( 0 , 0 ) ∥ ∇ f ( 0 , 0 ) ∥ = ⟨ 2 , 2 ⟩ 2 2 = ⟨ 1 2 , 1 2 ⟩ \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 u = ∥∇ f ( 0 , 0 ) ∥ ∇ f ( 0 , 0 ) = 2 2 ⟨ 2 , 2 ⟩ = ⟨ 2 1 , 2 1 ⟩
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 ) ∥ = 2 2 \text{最大變化率} = \|\nabla f(0, 0)\| = 2\sqrt{2} 最大變化率 = ∥∇ f ( 0 , 0 ) ∥ = 2 2
結論:
單位向量為 ⟨ 1 2 , 1 2 ⟩ \left\langle \frac{1}{\sqrt{2}},\, \frac{1}{\sqrt{2}} \right\rangle ⟨ 2 1 , 2 1 ⟩ 。
最大變化率為 2 2 2\sqrt{2} 2 2 。