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111 台灣大學微積分(B) 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

111學年度 · 111台大微積分B · 第 7 題

題目

Problem

7. Let f(x,y)=2x312xy+y3+13f(x, y) = 2x^3 - 12xy + y^3 + 13. Let P=(p,q)P=(p, q) be the point on R2\mathbb{R}^2 at which the rate of change of f(x,y)f(x, y) in the direction i+j\mathbf{i}+\mathbf{j} is the smallest. Then (p,q)=(11).(p, q) = \underline{\quad (11) \quad} \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 給定方向向量 v=i+j\mathbf{v} = \mathbf{i}+\mathbf{j},首先將其單位化得到單位方向向量 u=12(i+j)\mathbf{u} = \frac{1}{\sqrt{2}}(\mathbf{i}+\mathbf{j})
  2. 函數 f(x,y)f(x,y) 在方向 u\mathbf{u} 上的變化率即為方向導數: Duf(x,y)=f(x,y)uD_{\mathbf{u}}f(x, y) = \nabla f(x, y) \cdot \mathbf{u}
  3. 計算梯度並代入公式,得到一個以 x,yx, y 為自變數的二次函數。
  4. 利用配方法求此二次函數的極小值點 (p,q)(p, q)

答題過程

展開

單位方向向量為:

u=12i+12j\mathbf{u} = \frac{1}{\sqrt{2}}\mathbf{i} + \frac{1}{\sqrt{2}}\mathbf{j}

計算梯度 f(x,y)\nabla f(x, y)

fx=6x212y,fy=12x+3y2    f(x,y)=6x212y,3y212xf_x = 6x^2 - 12y, \quad f_y = -12x + 3y^2 \implies \nabla f(x, y) = \langle 6x^2 - 12y, 3y^2 - 12x \rangle

在點 P(p,q)P(p,q) 處,方向 u\mathbf{u} 的方向導數為:

Duf(p,q)=f(p,q)u=12(6p212q+3q212p)=12(6p212p+3q212q)D_{\mathbf{u}}f(p, q) = \nabla f(p, q) \cdot \mathbf{u} = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( 6p^2 - 12q + 3q^2 - 12p \right) = \frac{1}{\sqrt{2}} \left( 6p^2 - 12p + 3q^2 - 12q \right)

我們欲求使此值最小的 (p,q)(p,q)。對括號內的多項式分別關於 ppqq 配方:

6p212p=6(p1)266p^2 - 12p = 6(p-1)^2 - 6 3q212q=3(q2)2123q^2 - 12q = 3(q-2)^2 - 12

故:

Duf(p,q)=12[6(p1)2+3(q2)218]D_{\mathbf{u}}f(p, q) = \frac{1}{\sqrt{2}} \left[ 6(p-1)^2 + 3(q-2)^2 - 18 \right]

由於實數的平方項非負, 6(p1)206(p-1)^2 \ge 03(q2)203(q-2)^2 \ge 0,故當且僅當:

p1=0    p=1,q2=0    q=2p - 1 = 0 \implies p = 1, \quad q - 2 = 0 \implies q = 2

時,方向導數取得最小值(最小變化率為 182=92-\frac{18}{\sqrt{2}} = -9\sqrt{2})。

因此,最值點為 (p,q)=(1,2)(p, q) = \boxed{(1, 2)}