題目
5. Let
f(x,y)=x2−exy2 and the surface
S be the graph of the function
z=f(x,y). Let
P=(1,0,0)∈S and
p=(1,0) in the
xy-plane.
(a) (10%) If the unit vector u (in the xy-plane) at p is the direction (among all directions at p) along which the height (i.e. the value of z) of S increases most rapidly, then u=(7).
(b) (10%) Write H for the plane x+2y+3z=1 and the curve C for the intersection S∩H. Let L be the tangent line to C at P and N be the plane perpendicular to L at P. Then the equation of N is (8).
解答
解法一
思路
展開
- (a) 函數增加最快的單位方向就是梯度方向的單位向量。
- (b) 交線的切向量同時垂直於兩曲面的法向量,所以可取兩法向量的叉積;所求平面垂直於該切線,故其法向量可直接取切向量。
答題過程
展開
(a) 最快增加方向
先求偏導數:
fx=2x−y2exy2,fy=−2xyexy2.
在 p=(1,0),
∇f(1,0)=(2,0).
梯度不為零,所以最快增加的單位方向為
u=∣∇f(1,0)∣∇f(1,0)=(1,0).
(b) 垂直於交線切線的平面
將曲面 S 寫成
F(x,y,z)=z−f(x,y)=0.
在 P=(1,0,0),其法向量為
∇F(P)=(−fx(1,0),−fy(1,0),1)=(−2,0,1).
平面 H:x+2y+3z=1 的法向量為 ∇H=(1,2,3)。故交線的切向量可取
v===∇F(P)×∇H(−2,0,1)×(1,2,3)(−8,7,−4).
平面 N 垂直於切線 L,故可用 v 作為 N 的法向量。通過 P 的平面方程為
−8(x−1)+7y−4z=0.
等價地,答案可寫成
8x−7y+4z=8.