題目
Problem
2. The plane x + 2 y + z = 2 x + 2y + z = 2 x + 2 y + z = 2 intersects the cone y = x 2 + z 2 y = x^2 + z^2 y = x 2 + z 2 (Note: this is a typo in the original exam paper, y = x 2 + z 2 y = x^2 + z^2 y = x 2 + z 2 is actually a paraboloid, but we will solve it using the formula y = x 2 + z 2 y = x^2 + z^2 y = x 2 + z 2 as intended) in an ellipse. Find the points on the ellipse that are nearest and farthest from the origin. (10%)
解答
解法一:拉格朗日乘子法(雙約束條件)
思路
展開
本題要在兩個約束條件下,尋找距離原點的極值點。
目標函數:最小化與最大化距離平方 f ( x , y , z ) = x 2 + y 2 + z 2 f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 f ( x , y , z ) = x 2 + y 2 + z 2 。
第一個約束(平面): g ( x , y , z ) = x + 2 y + z − 2 = 0 g(x,y,z) = x + 2y + z - 2 = 0 g ( x , y , z ) = x + 2 y + z − 2 = 0 。
第二個約束(拋物面,題目誤印為 cone): h ( x , y , z ) = x 2 − y + z 2 = 0 h(x,y,z) = x^2 - y + z^2 = 0 h ( x , y , z ) = x 2 − y + z 2 = 0 。
第一步:利用偏導共面關係建立方程 :
三個梯度向量:
∇ f = ⟨ 2 x , 2 y , 2 z ⟩ \nabla f = \langle 2x, 2y, 2z \rangle ∇ f = ⟨ 2 x , 2 y , 2 z ⟩
∇ g = ⟨ 1 , 2 , 1 ⟩ \nabla g = \langle 1, 2, 1 \rangle ∇ g = ⟨ 1 , 2 , 1 ⟩
∇ h = ⟨ 2 x , − 1 , 2 z ⟩ \nabla h = \langle 2x, -1, 2z \rangle ∇ h = ⟨ 2 x , − 1 , 2 z ⟩
根據拉格朗日乘子法,極值點處三個向量必須線性相關(共面),即行列式為零:
det ( x y z 1 2 1 2 x − 1 2 z ) = 0 ⟹ ( x − z ) ( 1 + 2 y ) = 0 \det \begin{pmatrix} x & y & z \\ 1 & 2 & 1 \\ 2x & -1 & 2z \end{pmatrix} = 0 \implies (x-z)(1+2y) = 0 det x 1 2 x y 2 − 1 z 1 2 z = 0 ⟹ ( x − z ) ( 1 + 2 y ) = 0
第二步:分情況討論求解 :
情況一: x = z x = z x = z :
代入 g ( x , y , z ) = 0 ⟹ 2 x + 2 y = 2 ⟹ y = 1 − x g(x,y,z) = 0 \implies 2x + 2y = 2 \implies y = 1-x g ( x , y , z ) = 0 ⟹ 2 x + 2 y = 2 ⟹ y = 1 − x 。
代入 h ( x , y , z ) = 0 ⟹ 2 x 2 = y ⟹ 2 x 2 + x − 1 = 0 ⟹ ( 2 x − 1 ) ( x + 1 ) = 0 h(x,y,z) = 0 \implies 2x^2 = y \implies 2x^2 + x - 1 = 0 \implies (2x-1)(x+1) = 0 h ( x , y , z ) = 0 ⟹ 2 x 2 = y ⟹ 2 x 2 + x − 1 = 0 ⟹ ( 2 x − 1 ) ( x + 1 ) = 0 。
子情況 A: x = 1 / 2 ⟹ z = 1 / 2 , y = 1 / 2 x = 1/2 \implies z = 1/2, y = 1/2 x = 1/2 ⟹ z = 1/2 , y = 1/2 。點為 ( 1 2 , 1 2 , 1 2 ) \left( \frac{1}{2}, \frac{1}{2}, \frac{1}{2} \right) ( 2 1 , 2 1 , 2 1 ) 。距離平方 f = 3 / 4 f = 3/4 f = 3/4 。
子情況 B: x = − 1 ⟹ z = − 1 , y = 2 x = -1 \implies z = -1, y = 2 x = − 1 ⟹ z = − 1 , y = 2 。點為 ( − 1 , 2 , − 1 ) (-1, 2, -1) ( − 1 , 2 , − 1 ) 。距離平方 f = 6 f = 6 f = 6 。
情況二: y = − 1 / 2 y = -1/2 y = − 1/2 :
代入拋物面方程 x 2 + z 2 = y = − 1 / 2 x^2 + z^2 = y = -1/2 x 2 + z 2 = y = − 1/2 。
由於 x , z x, z x , z 均為實數,其平方和 x 2 + z 2 ≥ 0 x^2+z^2 \ge 0 x 2 + z 2 ≥ 0 ,不可能等於負數 − 1 / 2 -1/2 − 1/2 。因此在此分支下無實數解 。
第三步:比較距離平方值,確定最近點與最遠點 :
最近點為 ( 1 2 , 1 2 , 1 2 ) \left( \frac{1}{2}, \frac{1}{2}, \frac{1}{2} \right) ( 2 1 , 2 1 , 2 1 ) ,距離為 3 2 \frac{\sqrt{3}}{2} 2 3 。
最遠點為 ( − 1 , 2 , − 1 ) (-1, 2, -1) ( − 1 , 2 , − 1 ) ,距離為 6 \sqrt{6} 6 。
答題過程
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Note
題目勘誤說明:
題目中將關係式 y = x 2 + z 2 y = x^2 + z^2 y = x 2 + z 2 描述為圓錐面 (cone),但該方程在三維空間中幾何上代表一個旋轉拋物面 (Paraboloid) 。我們將依照給定的代數方程 y = x 2 + z 2 y = x^2 + z^2 y = x 2 + z 2 進行嚴謹求解。
我們需要在雙約束條件下,求目標函數(與原點的距離平方)的極值:
目標函數:
f ( x , y , z ) = x 2 + y 2 + z 2 f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 f ( x , y , z ) = x 2 + y 2 + z 2
約束條件一:
g ( x , y , z ) = x + 2 y + z − 2 = 0 g(x, y, z) = x + 2y + z - 2 = 0 g ( x , y , z ) = x + 2 y + z − 2 = 0
約束條件二:
h ( x , y , z ) = x 2 − y + z 2 = 0 h(x, y, z) = x^2 - y + z^2 = 0 h ( x , y , z ) = x 2 − y + z 2 = 0
根據拉格朗日乘子法,最優解滿足偏導數的線性相關性,即三個梯度向量 ∇ f \nabla f ∇ f 、 ∇ g \nabla g ∇ g 、 ∇ h \nabla h ∇ h 必須共面(線性相關):
∇ f = ⟨ 2 x , 2 y , 2 z ⟩ , ∇ g = ⟨ 1 , 2 , 1 ⟩ , ∇ h = ⟨ 2 x , − 1 , 2 z ⟩ \nabla f = \langle 2x,\, 2y,\, 2z \rangle, \quad \nabla g = \langle 1,\, 2,\, 1 \rangle, \quad \nabla h = \langle 2x,\, -1,\, 2z \rangle ∇ f = ⟨ 2 x , 2 y , 2 z ⟩ , ∇ g = ⟨ 1 , 2 , 1 ⟩ , ∇ h = ⟨ 2 x , − 1 , 2 z ⟩
我們令其行列式(將第一行同除以 2)為零:
∣ x y z 1 2 1 2 x − 1 2 z ∣ = 0 \begin{vmatrix} x & y & z \\ 1 & 2 & 1 \\ 2x & -1 & 2z \end{vmatrix} = 0 x 1 2 x y 2 − 1 z 1 2 z = 0
對第一行進行拉普拉斯展開:
x ∣ 2 1 − 1 2 z ∣ − y ∣ 1 1 2 x 2 z ∣ + z ∣ 1 2 2 x − 1 ∣ = 0 x \begin{vmatrix} 2 & 1 \\ -1 & 2z \end{vmatrix} - y \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 2x & 2z \end{vmatrix} + z \begin{vmatrix} 1 & 2 \\ 2x & -1 \end{vmatrix} = 0 x 2 − 1 1 2 z − y 1 2 x 1 2 z + z 1 2 x 2 − 1 = 0
x ( 4 z + 1 ) − y ( 2 z − 2 x ) + z ( − 1 − 4 x ) = 0 x(4z + 1) - y(2z - 2x) + z(-1 - 4x) = 0 x ( 4 z + 1 ) − y ( 2 z − 2 x ) + z ( − 1 − 4 x ) = 0
4 x z + x − 2 y z + 2 x y − z − 4 x z = 0 4xz + x - 2yz + 2xy - z - 4xz = 0 4 x z + x − 2 y z + 2 x y − z − 4 x z = 0
( x − z ) + 2 y ( x − z ) = 0 ⟹ ( x − z ) ( 1 + 2 y ) = 0 (x - z) + 2y(x - z) = 0 \implies (x - z)(1 + 2y) = 0 ( x − z ) + 2 y ( x − z ) = 0 ⟹ ( x − z ) ( 1 + 2 y ) = 0
由此,我們分成兩個分支討論:
情況一: x = z x = z x = z
我們將 x = z x = z x = z 代入兩個約束條件中:
代回平面方程 g = 0 g = 0 g = 0 :
x + 2 y + x = 2 ⟹ 2 x + 2 y = 2 ⟹ y = 1 − x x + 2y + x = 2 \implies 2x + 2y = 2 \implies y = 1 - x x + 2 y + x = 2 ⟹ 2 x + 2 y = 2 ⟹ y = 1 − x
代回拋物面方程 h = 0 h = 0 h = 0 :
x 2 − y + x 2 = 0 ⟹ 2 x 2 = y x^2 - y + x^2 = 0 \implies 2x^2 = y x 2 − y + x 2 = 0 ⟹ 2 x 2 = y
聯立此兩式:
2 x 2 = 1 − x ⟹ 2 x 2 + x − 1 = 0 ⟹ ( 2 x − 1 ) ( x + 1 ) = 0 2x^2 = 1 - x \implies 2x^2 + x - 1 = 0 \implies (2x - 1)(x + 1) = 0 2 x 2 = 1 − x ⟹ 2 x 2 + x − 1 = 0 ⟹ ( 2 x − 1 ) ( x + 1 ) = 0
得到兩個解:
情況二: y = − 1 2 y = -\frac{1}{2} y = − 2 1
我們將 y = − 1 2 y = -\frac{1}{2} y = − 2 1 代入拋物面方程 h = 0 h = 0 h = 0 :
x 2 + z 2 = y ⟹ x 2 + z 2 = − 1 2 x^2 + z^2 = y \implies x^2 + z^2 = -\frac{1}{2} x 2 + z 2 = y ⟹ x 2 + z 2 = − 2 1
由於在實數域中,任何實數的平方和皆為非負數(即 x 2 + z 2 ≥ 0 x^2 + z^2 \ge 0 x 2 + z 2 ≥ 0 ),不可能等於負數 − 1 2 -\frac{1}{2} − 2 1 。
故此分支無實數解 。
結論
比較兩個可行點的距離平方值:
離原點的最近距離為 3 4 = 3 2 \sqrt{\frac{3}{4}} = \frac{\sqrt{3}}{2} 4 3 = 2 3 ,對應的點為 ( 1 2 , 1 2 , 1 2 ) \displaystyle \left( \frac{1}{2},\, \frac{1}{2},\, \frac{1}{2} \right) ( 2 1 , 2 1 , 2 1 ) 。
離原點的最遠距離為 6 \sqrt{6} 6 ,對應的點為 ( − 1 , 2 , − 1 ) (-1,\, 2,\, -1) ( − 1 , 2 , − 1 ) 。
結論:
最遠點為 ( − 1 , 2 , − 1 ) (-1, 2, -1) ( − 1 , 2 , − 1 ) 。
最近點為 ( 1 2 , 1 2 , 1 2 ) \displaystyle \left( \frac{1}{2},\, \frac{1}{2},\, \frac{1}{2} \right) ( 2 1 , 2 1 , 2 1 ) 。