Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

112 台灣大學微積分(C) 第 11 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

112學年度 · 112台大微積分C · 第 11 題

題目

Problem

2. The plane x+2y+z=2x + 2y + z = 2 intersects the cone y=x2+z2y = x^2 + z^2 (Note: this is a typo in the original exam paper, y=x2+z2y = x^2 + z^2 is actually a paraboloid, but we will solve it using the formula y=x2+z2y = 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
  1. 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)=x2+y2+z2f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2
    • 第一個約束(平面): g(x,y,z)=x+2y+z2=0g(x,y,z) = x + 2y + z - 2 = 0
    • 第二個約束(拋物面,題目誤印為 cone): h(x,y,z)=x2y+z2=0h(x,y,z) = x^2 - y + z^2 = 0
  2. 第一步:利用偏導共面關係建立方程
    • 三個梯度向量:
      • f=2x,2y,2z\nabla f = \langle 2x, 2y, 2z \rangle
      • g=1,2,1\nabla g = \langle 1, 2, 1 \rangle
      • h=2x,1,2z\nabla h = \langle 2x, -1, 2z \rangle
    • 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(xyz1212x12z)=0    (xz)(1+2y)=0\det \begin{pmatrix} x & y & z \\ 1 & 2 & 1 \\ 2x & -1 & 2z \end{pmatrix} = 0 \implies (x-z)(1+2y) = 0
  3. 第二步:分情況討論求解
    • 情況一: x=zx = z
      • 代入 g(x,y,z)=0    2x+2y=2    y=1xg(x,y,z) = 0 \implies 2x + 2y = 2 \implies y = 1-x
      • 代入 h(x,y,z)=0    2x2=y    2x2+x1=0    (2x1)(x+1)=0h(x,y,z) = 0 \implies 2x^2 = y \implies 2x^2 + x - 1 = 0 \implies (2x-1)(x+1) = 0
      • 子情況 A: x=1/2    z=1/2,y=1/2x = 1/2 \implies z = 1/2, y = 1/2。點為 (12,12,12)\left( \frac{1}{2}, \frac{1}{2}, \frac{1}{2} \right)。距離平方 f=3/4f = 3/4
      • 子情況 B: x=1    z=1,y=2x = -1 \implies z = -1, y = 2。點為 (1,2,1)(-1, 2, -1)。距離平方 f=6f = 6
    • 情況二: y=1/2y = -1/2
      • 代入拋物面方程 x2+z2=y=1/2x^2 + z^2 = y = -1/2
      • 由於 x,zx, z 均為實數,其平方和 x2+z20x^2+z^2 \ge 0,不可能等於負數 1/2-1/2。因此在此分支下無實數解
  4. 第三步:比較距離平方值,確定最近點與最遠點
    • 最近點為 (12,12,12)\left( \frac{1}{2}, \frac{1}{2}, \frac{1}{2} \right),距離為 32\frac{\sqrt{3}}{2}
    • 最遠點為 (1,2,1)(-1, 2, -1),距離為 6\sqrt{6}

答題過程

展開
Note

題目勘誤說明: 題目中將關係式 y=x2+z2y = 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=x2+z2y = 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)=x2+y2+z2f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2
  • 約束條件一: g(x,y,z)=x+2y+z2=0g(x, y, z) = x + 2y + z - 2 = 0
  • 約束條件二: h(x,y,z)=x2y+z2=0h(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 fg\nabla gh\nabla h 必須共面(線性相關):

f=2x,2y,2z,g=1,2,1,h=2x,1,2z\nabla f = \langle 2x,\, 2y,\, 2z \rangle, \quad \nabla g = \langle 1,\, 2,\, 1 \rangle, \quad \nabla h = \langle 2x,\, -1,\, 2z \rangle

我們令其行列式(將第一行同除以 2)為零:

xyz1212x12z=0\begin{vmatrix} x & y & z \\ 1 & 2 & 1 \\ 2x & -1 & 2z \end{vmatrix} = 0

對第一行進行拉普拉斯展開:

x2112zy112x2z+z122x1=0x \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(4z+1)y(2z2x)+z(14x)=0x(4z + 1) - y(2z - 2x) + z(-1 - 4x) = 0 4xz+x2yz+2xyz4xz=04xz + x - 2yz + 2xy - z - 4xz = 0 (xz)+2y(xz)=0    (xz)(1+2y)=0(x - z) + 2y(x - z) = 0 \implies (x - z)(1 + 2y) = 0

由此,我們分成兩個分支討論:


情況一: x=zx = z

我們將 x=zx = z 代入兩個約束條件中:

  1. 代回平面方程 g=0g = 0x+2y+x=2    2x+2y=2    y=1xx + 2y + x = 2 \implies 2x + 2y = 2 \implies y = 1 - x
  2. 代回拋物面方程 h=0h = 0x2y+x2=0    2x2=yx^2 - y + x^2 = 0 \implies 2x^2 = y

聯立此兩式:

2x2=1x    2x2+x1=0    (2x1)(x+1)=02x^2 = 1 - x \implies 2x^2 + x - 1 = 0 \implies (2x - 1)(x + 1) = 0

得到兩個解:

  • 子情況 Ax=12x = \frac{1}{2}

    • 此時 z=12z = \frac{1}{2}y=112=12y = 1 - \frac{1}{2} = \frac{1}{2}
    • 得到點: (12,12,12)\displaystyle \left( \frac{1}{2},\, \frac{1}{2},\, \frac{1}{2} \right)
    • 距離平方值為: f(12,12,12)=14+14+14=34\displaystyle f\left(\frac{1}{2},\, \frac{1}{2},\, \frac{1}{2}\right) = \frac{1}{4} + \frac{1}{4} + \frac{1}{4} = \frac{3}{4}
  • 子情況 Bx=1x = -1

    • 此時 z=1z = -1y=1(1)=2y = 1 - (-1) = 2
    • 得到點: (1,2,1)(-1,\, 2,\, -1)
    • 距離平方值為: f(1,2,1)=(1)2+22+(1)2=1+4+1=6f(-1,\, 2,\, -1) = (-1)^2 + 2^2 + (-1)^2 = 1 + 4 + 1 = 6

情況二: y=12y = -\frac{1}{2}

我們將 y=12y = -\frac{1}{2} 代入拋物面方程 h=0h = 0

x2+z2=y    x2+z2=12x^2 + z^2 = y \implies x^2 + z^2 = -\frac{1}{2}

由於在實數域中,任何實數的平方和皆為非負數(即 x2+z20x^2 + z^2 \ge 0),不可能等於負數 12-\frac{1}{2}。 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 34=32\sqrt{\frac{3}{4}} = \frac{\sqrt{3}}{2},對應的點為 (12,12,12)\displaystyle \left( \frac{1}{2},\, \frac{1}{2},\, \frac{1}{2} \right)
  • 離原點的最遠距離為 6\sqrt{6},對應的點為 (1,2,1)(-1,\, 2,\, -1)

結論:

  • 最遠點為 (1,2,1)(-1, 2, -1)
  • 最近點為 (12,12,12)\displaystyle \left( \frac{1}{2},\, \frac{1}{2},\, \frac{1}{2} \right)