Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

112 台灣大學微積分(B) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

112學年度 · 112台大微積分B · 第 8 題

題目

Problem

8. Find the point on the surface given by x+8y+27z=14\sqrt{x} + \sqrt{8y} + \sqrt{27z} = 14 that is closest to the origin. (8)‾\underline{\quad (8) \quad}.

解答

解法一:拉格朗日乘子法(直接最速法,避免複雜代換)

思路

展開
  1. 本題要在約束條件 g(x,y,z)=x+22y+33z−14=0g(x,y,z) = \sqrt{x} + 2\sqrt{2}\sqrt{y} + 3\sqrt{3}\sqrt{z} - 14 = 0 下,最小化到原點的距離(即最小化距離平方 f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x,y,z) = x^2+y^2+z^2)。 其中 x≥0,y≥0,z≥0x \ge 0, y \ge 0, z \ge 0。
  2. 第一步:建立拉格朗日乘子方程組 ∇f=λ∇g\nabla f = \lambda \nabla g:
    • 求偏導數: ∇f=⟨2x,2y,2z⟩\nabla f = \langle 2x, 2y, 2z \rangle ∇g=⟨12x, 2y, 332z⟩\nabla g = \left\langle \frac{1}{2\sqrt{x}}, \ \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{y}}, \ \frac{3\sqrt{3}}{2\sqrt{z}} \right\rangle
    • 建立方程:
      1. 2x=λ2x  ⟹  4x3/2=λ2x = \frac{\lambda}{2\sqrt{x}} \implies 4x^{3/2} = \lambda
      2. 2y=2λy  ⟹  2y3/2=2λ  ⟹  y3/2=λ22y = \frac{\sqrt{2}\lambda}{\sqrt{y}} \implies 2y^{3/2} = \sqrt{2}\lambda \implies y^{3/2} = \frac{\lambda}{\sqrt{2}}
      3. 2z=33λ2z  ⟹  4z3/2=33λ  ⟹  z3/2=334λ2z = \frac{3\sqrt{3}\lambda}{2\sqrt{z}} \implies 4z^{3/2} = 3\sqrt{3}\lambda \implies z^{3/2} = \frac{3\sqrt{3}}{4}\lambda
  3. 第二步:建立 y,zy, z 與 xx 的比例關係:
    • 由上述式子消去 λ\lambda:
      • λ=4x3/2\lambda = 4x^{3/2}。
      • 代入 yy 的方程: y3/2=4x3/22=22x3/2=(2)3/2x3/2  ⟹  y=2xy^{3/2} = \frac{4x^{3/2}}{\sqrt{2}} = 2\sqrt{2} x^{3/2} = (2)^{3/2} x^{3/2} \implies y = 2x。
      • 代入 zz 的方程: z3/2=334(4x3/2)=33x3/2=(3)3/2x3/2  ⟹  z=3xz^{3/2} = \frac{3\sqrt{3}}{4} (4x^{3/2}) = 3\sqrt{3} x^{3/2} = (3)^{3/2} x^{3/2} \implies z = 3x。
  4. 第三步:代回約束條件求解:
    • x+8(2x)+27(3x)=14  ⟹  x+4x+9x=14  ⟹  14x=14  ⟹  x=1\sqrt{x} + \sqrt{8(2x)} + \sqrt{27(3x)} = 14 \implies \sqrt{x} + 4\sqrt{x} + 9\sqrt{x} = 14 \implies 14\sqrt{x} = 14 \implies x = 1。
    • 因此 y=2,z=3y = 2, z = 3。最接近點為 (1,2,3)(1, 2, 3)。

答題過程

展開

我們要尋找曲面上離原點最近的點,這等價於在約束條件下最小化點 (x,y,z)(x,y,z) 到原點的距離平方。 目標函數:

f(x,y,z)=x2+y2+z2f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2

約束條件:

g(x,y,z)=x+8y+27z−14=0g(x, y, z) = \sqrt{x} + \sqrt{8y} + \sqrt{27z} - 14 = 0

我們將約束條件整理為(其中 x,y,z≥0x, y, z \ge 0):

g(x,y,z)=x1/2+22y1/2+33z1/2−14=0g(x, y, z) = x^{1/2} + 2\sqrt{2} y^{1/2} + 3\sqrt{3} z^{1/2} - 14 = 0

根據拉格朗日乘子法,最優解滿足偏導平行:

∇f(x,y,z)=λ∇g(x,y,z)\nabla f(x, y, z) = \lambda \nabla g(x, y, z)

我們分別計算梯度向量:

∇f=⟨2x, 2y, 2z⟩\nabla f = \langle 2x,\, 2y,\, 2z \rangle ∇g=⟨12x−1/2, 2y−1/2, 332z−1/2⟩\nabla g = \left\langle \frac{1}{2}x^{-1/2},\, \sqrt{2}y^{-1/2},\, \frac{3\sqrt{3}}{2}z^{-1/2} \right\rangle

建立聯立方程組:

2x=λ(12x)  ⟹  4x3/2=λ— (1)2x = \lambda \left( \frac{1}{2\sqrt{x}} \right) \implies 4x^{3/2} = \lambda \quad \text{--- (1)} 2y=λ(2y)  ⟹  2y3/2=λ— (2)2y = \lambda \left( \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{y}} \right) \implies \sqrt{2}y^{3/2} = \lambda \quad \text{--- (2)} 2z=λ(332z)  ⟹  433z3/2=λ— (3)2z = \lambda \left( \frac{3\sqrt{3}}{2\sqrt{z}} \right) \implies \frac{4}{3\sqrt{3}}z^{3/2} = \lambda \quad \text{--- (3)} x+8y+27z=14— (4)\sqrt{x} + \sqrt{8y} + \sqrt{27z} = 14 \quad \text{--- (4)}

由式 (1) 知 λ=4x3/2\lambda = 4x^{3/2}。我們將其代入式 (2) 與式 (3) 以消去 λ\lambda:

  • 解 yy:

    2y3/2=4x3/2  ⟹  y3/2=42x3/2=22x3/2\sqrt{2}y^{3/2} = 4x^{3/2} \implies y^{3/2} = \frac{4}{\sqrt{2}} x^{3/2} = 2\sqrt{2} x^{3/2}

    由於 22=23/22\sqrt{2} = 2^{3/2},兩側取 23\frac{2}{3} 次方得:

    y=2xy = 2x
  • 解 zz:

    433z3/2=4x3/2  ⟹  z3/2=33x3/2\frac{4}{3\sqrt{3}}z^{3/2} = 4x^{3/2} \implies z^{3/2} = 3\sqrt{3} x^{3/2}

    由於 33=33/23\sqrt{3} = 3^{3/2},兩側取 23\frac{2}{3} 次方得:

    z=3xz = 3x

我們將 y=2xy = 2x 與 z=3xz = 3x 代回約束條件式 (4):

x+8(2x)+27(3x)=14\sqrt{x} + \sqrt{8(2x)} + \sqrt{27(3x)} = 14 x+16x+81x=14\sqrt{x} + \sqrt{16x} + \sqrt{81x} = 14 x+4x+9x=14\sqrt{x} + 4\sqrt{x} + 9\sqrt{x} = 14 14x=14  ⟹  x=1  ⟹  x=114\sqrt{x} = 14 \implies \sqrt{x} = 1 \implies x = 1

代回比例關係可求得其他座標:

  • y=2(1)=2y = 2(1) = 2
  • z=3(1)=3z = 3(1) = 3

因此,曲面上離原點最近的點為 (1,2,3)(1, 2, 3)。

結論: (8) 處應填入 (1,2,3)(1, 2, 3)。