題目
Problem
8. A space probe in the shape of the ellipsoid 4 x 2 + y 2 + 4 z 2 = 16 4x^2 + y^2 + 4z^2 = 16 4 x 2 + y 2 + 4 z 2 = 16 enters Earth’s atmosphere and its surface begins to heat. After 1 hour, the temperature at the point ( x , y , z ) (x, y, z) ( x , y , z ) on the probe’s surface is T ( x , y , z ) = 8 x 2 + 4 y z − 16 z + 600 T(x, y, z) = 8x^2 + 4yz - 16z + 600 T ( x , y , z ) = 8 x 2 + 4 y z − 16 z + 600 . Find the hottest point on the probe’s surface.
解答
解法一:拉格朗日乘子法
思路
展開
目標函數 : T ( x , y , z ) = 8 x 2 + 4 y z − 16 z + 600 T(x, y, z) = 8x^2 + 4yz - 16z + 600 T ( x , y , z ) = 8 x 2 + 4 y z − 16 z + 600 。
限制條件 : g ( x , y , z ) = 4 x 2 + y 2 + 4 z 2 − 16 = 0 g(x, y, z) = 4x^2 + y^2 + 4z^2 - 16 = 0 g ( x , y , z ) = 4 x 2 + y 2 + 4 z 2 − 16 = 0 。
拉格朗日乘子法 :建立方程組 ∇ T = λ ∇ g \nabla T = \lambda \nabla g ∇ T = λ ∇ g 。
求解變數,分 x = 0 x=0 x = 0 與 x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 兩情況討論,求出所有候選點並比較溫度。
答題過程
展開
第一步:計算梯度並建立方程組
計算溫度函數與約束函數的梯度:
∇ T = ⟨ 16 x , 4 z , 4 y − 16 ⟩ \nabla T = \langle 16x, 4z, 4y - 16 \rangle ∇ T = ⟨ 16 x , 4 z , 4 y − 16 ⟩
∇ g = ⟨ 8 x , 2 y , 8 z ⟩ \nabla g = \langle 8x, 2y, 8z \rangle ∇ g = ⟨ 8 x , 2 y , 8 z ⟩
由拉格朗日乘子法方程組 ∇ T = λ ∇ g \nabla T = \lambda \nabla g ∇ T = λ ∇ g :
16 x = 8 λ x ⟹ 8 x ( 2 − λ ) = 0 16x = 8\lambda x \implies 8x(2 - \lambda) = 0 16 x = 8 λ x ⟹ 8 x ( 2 − λ ) = 0
4 z = 2 λ y ⟹ 2 z = λ y 4z = 2\lambda y \implies 2z = \lambda y 4 z = 2 λ y ⟹ 2 z = λ y
4 y − 16 = 8 λ z ⟹ y − 4 = 2 λ z 4y - 16 = 8\lambda z \implies y - 4 = 2\lambda z 4 y − 16 = 8 λ z ⟹ y − 4 = 2 λ z
4 x 2 + y 2 + 4 z 2 = 16 4x^2 + y^2 + 4z^2 = 16 4 x 2 + y 2 + 4 z 2 = 16
由方程式 (1) 可知,必有兩種情況: λ = 2 \lambda = 2 λ = 2 或 x = 0 x = 0 x = 0 。
第二步:分情況求解候選點
情況一: λ = 2 \lambda = 2 λ = 2 (此時 x ≠ 0 x \neq 0 x = 0 )
代入方程 (2) 與 (3):
2 z = 2 y ⟹ z = y 2z = 2y \implies z = y 2 z = 2 y ⟹ z = y
y − 4 = 4 z ⟹ y − 4 = 4 y ⟹ 3 y = − 4 ⟹ y = − 4 3 y - 4 = 4z \implies y - 4 = 4y \implies 3y = -4 \implies y = -\frac{4}{3} y − 4 = 4 z ⟹ y − 4 = 4 y ⟹ 3 y = − 4 ⟹ y = − 3 4
由於 z = y z = y z = y ,故 z = − 4 3 z = -\frac{4}{3} z = − 3 4 。
將 y = z = − 4 3 y = z = -\frac{4}{3} y = z = − 3 4 代入約束條件 (4):
4 x 2 + ( − 4 3 ) 2 + 4 ( − 4 3 ) 2 = 16 ⟹ 4 x 2 + 80 9 = 16 ⟹ 4 x 2 = 64 9 ⟹ x = ± 4 3 4x^2 + \left(-\frac{4}{3}\right)^2 + 4\left(-\frac{4}{3}\right)^2 = 16 \implies 4x^2 + \frac{80}{9} = 16 \implies 4x^2 = \frac{64}{9} \implies x = \pm\frac{4}{3} 4 x 2 + ( − 3 4 ) 2 + 4 ( − 3 4 ) 2 = 16 ⟹ 4 x 2 + 9 80 = 16 ⟹ 4 x 2 = 9 64 ⟹ x = ± 3 4
獲得兩個候選點:
P 1 = ( 4 3 , − 4 3 , − 4 3 ) , P 2 = ( − 4 3 , − 4 3 , − 4 3 ) P_1 = \left( \frac{4}{3}, -\frac{4}{3}, -\frac{4}{3} \right), \quad P_2 = \left( -\frac{4}{3}, -\frac{4}{3}, -\frac{4}{3} \right) P 1 = ( 3 4 , − 3 4 , − 3 4 ) , P 2 = ( − 3 4 , − 3 4 , − 3 4 )
情況二: x = 0 x = 0 x = 0
代入約束條件 (4) 中:
y 2 + 4 z 2 = 16 ⟹ 4 z 2 = 16 − y 2 y^2 + 4z^2 = 16 \implies 4z^2 = 16 - y^2 y 2 + 4 z 2 = 16 ⟹ 4 z 2 = 16 − y 2
由方程 (2) 與 (3),因為 y , z ≠ 0 y, z \neq 0 y , z = 0 (否則與約束條件矛盾),消去 λ \lambda λ :
λ = 2 z y = y − 4 2 z ⟹ 4 z 2 = y ( y − 4 ) = y 2 − 4 y \lambda = \frac{2z}{y} = \frac{y-4}{2z} \implies 4z^2 = y(y-4) = y^2 - 4y λ = y 2 z = 2 z y − 4 ⟹ 4 z 2 = y ( y − 4 ) = y 2 − 4 y
結合兩式:
16 − y 2 = y 2 − 4 y ⟹ 2 y 2 − 4 y − 16 = 0 ⟹ y 2 − 2 y − 8 = ( y − 4 ) ( y + 2 ) = 0 16 - y^2 = y^2 - 4y \implies 2y^2 - 4y - 16 = 0 \implies y^2 - 2y - 8 = (y-4)(y+2) = 0 16 − y 2 = y 2 − 4 y ⟹ 2 y 2 − 4 y − 16 = 0 ⟹ y 2 − 2 y − 8 = ( y − 4 ) ( y + 2 ) = 0
當 y = 4 ⟹ 4 z 2 = 0 ⟹ z = 0 y = 4 \implies 4z^2 = 0 \implies z = 0 y = 4 ⟹ 4 z 2 = 0 ⟹ z = 0 。
獲得候選點: P 3 = ( 0 , 4 , 0 ) P_3 = (0, 4, 0) P 3 = ( 0 , 4 , 0 ) 。
當 y = − 2 ⟹ 4 z 2 = 12 ⟹ z = ± 3 y = -2 \implies 4z^2 = 12 \implies z = \pm\sqrt{3} y = − 2 ⟹ 4 z 2 = 12 ⟹ z = ± 3 。
獲得候選點: P 4 = ( 0 , − 2 , 3 ) P_4 = (0, -2, \sqrt{3}) P 4 = ( 0 , − 2 , 3 ) 與 P 5 = ( 0 , − 2 , − 3 ) P_5 = (0, -2, -\sqrt{3}) P 5 = ( 0 , − 2 , − 3 ) 。
第三步:比較各候選點之溫度值
對於 P 3 ( 0 , 4 , 0 ) P_3(0, 4, 0) P 3 ( 0 , 4 , 0 ) :
T ( 0 , 4 , 0 ) = 600 T(0, 4, 0) = 600 T ( 0 , 4 , 0 ) = 600
對於 P 4 ( 0 , − 2 , 3 ) P_4(0, -2, \sqrt{3}) P 4 ( 0 , − 2 , 3 ) :
T ( 0 , − 2 , 3 ) = 4 ( − 2 ) ( 3 ) − 16 3 + 600 = 600 − 24 3 ≈ 558.4 T(0, -2, \sqrt{3}) = 4(-2)(\sqrt{3}) - 16\sqrt{3} + 600 = 600 - 24\sqrt{3} \approx 558.4 T ( 0 , − 2 , 3 ) = 4 ( − 2 ) ( 3 ) − 16 3 + 600 = 600 − 24 3 ≈ 558.4
對於 P 5 ( 0 , − 2 , − 3 ) P_5(0, -2, -\sqrt{3}) P 5 ( 0 , − 2 , − 3 ) :
T ( 0 , − 2 , − 3 ) = 4 ( − 2 ) ( − 3 ) − 16 ( − 3 ) + 600 = 600 + 24 3 ≈ 641.6 T(0, -2, -\sqrt{3}) = 4(-2)(-\sqrt{3}) - 16(-\sqrt{3}) + 600 = 600 + 24\sqrt{3} \approx 641.6 T ( 0 , − 2 , − 3 ) = 4 ( − 2 ) ( − 3 ) − 16 ( − 3 ) + 600 = 600 + 24 3 ≈ 641.6
對於 P 1 , P 2 ( ± 4 3 , − 4 3 , − 4 3 ) P_1, P_2\left( \pm\frac{4}{3}, -\frac{4}{3}, -\frac{4}{3} \right) P 1 , P 2 ( ± 3 4 , − 3 4 , − 3 4 ) :
T = 8 ( 16 9 ) + 4 ( − 4 3 ) ( − 4 3 ) − 16 ( − 4 3 ) + 600 = 128 9 + 64 9 + 64 3 + 600 = 384 9 + 600 = 128 3 + 600 = 1928 3 ≈ 642.7 T = 8\left(\frac{16}{9}\right) + 4\left(-\frac{4}{3}\right)\left(-\frac{4}{3}\right) - 16\left(-\frac{4}{3}\right) + 600 = \frac{128}{9} + \frac{64}{9} + \frac{64}{3} + 600 = \frac{384}{9} + 600 = \frac{128}{3} + 600 = \frac{1928}{3} \approx 642.7 T = 8 ( 9 16 ) + 4 ( − 3 4 ) ( − 3 4 ) − 16 ( − 3 4 ) + 600 = 9 128 + 9 64 + 3 64 + 600 = 9 384 + 600 = 3 128 + 600 = 3 1928 ≈ 642.7
比較可知,最熱的溫度為 1928 3 \frac{1928}{3} 3 1928 ,發生在 ( ± 4 3 , − 4 3 , − 4 3 ) \left( \pm\frac{4}{3}, -\frac{4}{3}, -\frac{4}{3} \right) ( ± 3 4 , − 3 4 , − 3 4 ) 。
故最熱的點為 ( ± 4 3 , − 4 3 , − 4 3 ) \boxed{\left( \pm\frac{4}{3}, -\frac{4}{3}, -\frac{4}{3} \right)} ( ± 3 4 , − 3 4 , − 3 4 ) 。