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114 台綜大微積分 C 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 C

114學年度 · 114微積分C · 第 2 題

題目

Problem

Find point(s) (x0,y0)(x_0, y_0) on the curve

x+y=12\sqrt{x} + \sqrt{y} = 12

at which normal line(s) to this curve has(have) slope(s) 13\frac{1}{3}. (10%)

(2) (x0,y0)=見解答(x_0, y_0) = \underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求尋找曲線 x+y=12\sqrt{x} + \sqrt{y} = 12 上的點 (x0,y0)(x_0, y_0),使得在該點處的法線斜率1/31/3
  2. 切線與法線關係
    • 法線斜率與切線斜率(即導數 yy')互為負倒數關係: mnormaly=1    y=1mnormalm_{\text{normal}} \cdot y' = -1 \implies y' = -\frac{1}{m_{\text{normal}}}
    • 已知法線斜率為 1/31/3,故在該點的切線斜率(導數)必須滿足: y=3y' = -3
  3. 隱函數求導
    • 對曲線方程式 x+y=12\sqrt{x} + \sqrt{y} = 12 兩邊對 xx 微分: 12x+12yy=0    y=yx\frac{1}{2\sqrt{x}} + \frac{1}{2\sqrt{y}} y' = 0 \implies y' = -\frac{\sqrt{y}}{\sqrt{x}}
  4. 求解聯立方程
    • y=3y' = -3 代入求導結果: yx=3    y=3x-\frac{\sqrt{y}}{\sqrt{x}} = -3 \implies \sqrt{y} = 3\sqrt{x}
    • 將此關係式代回原曲線方程式中,解出 xxyy

答題過程

展開

首先,因為法線斜率為 m=13m = \frac{1}{3},且切線與法線互相垂直,故該點處的切線斜率(即導數 dydx\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x})為:

dydx=11/3=3\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -\frac{1}{1/3} = -3

對曲線方程式 x+y=12\sqrt{x} + \sqrt{y} = 12 兩邊關於 xx 求導:

12x+12ydydx=0\frac{1}{2\sqrt{x}} + \frac{1}{2\sqrt{y}} \cdot \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = 0

整理以求解一階導數:

12ydydx=12x    dydx=yx\frac{1}{2\sqrt{y}} \cdot \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -\frac{1}{2\sqrt{x}} \implies \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -\frac{\sqrt{y}}{\sqrt{x}}

dydx=3\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x} = -3 代入:

yx=3    y=3x— (1)-\frac{\sqrt{y}}{\sqrt{x}} = -3 \implies \sqrt{y} = 3\sqrt{x} \quad \text{--- (1)}

將式 (1) 代回原曲線方程式:

x+(3x)=124x=12x=3\begin{align*} \sqrt{x} + \left(3\sqrt{x}\right) =&\, 12 \\[4mm] 4\sqrt{x} =&\, 12 \\[4mm] \sqrt{x} =&\, 3 \end{align*}

x=3\sqrt{x} = 3 平方,求得 x0x_0

x0=9x_0 = 9

x=3\sqrt{x} = 3 代回式 (1):

y0=3(3)=9\sqrt{y_0} = 3(3) = 9

將其平方,求得 y0y_0

y0=81y_0 = 81

經檢驗, (9,81)(9, 81) 滿足原方程式且變數皆為正值,因此為唯一解。

結論: 所求的點為 (9,81)(9, 81)