題目
Problem
2. Find the point on the curve y=x that is closest to the point (1,0). (10%)
解答
解法一(距離函數求導)
思路
展開
- 設曲線上任意一點為 P(x,y)=(x,x),其中 x≥0。
- 該點到已知點 A(1,0) 的距離平方函數設為 f(x):
f(x)=d2=(x−1)2+(y−0)2=(x−1)2+x
- 將 f(x) 展開並整理成二次多項式,再通過求導(或配方法)求其在 x≥0 範圍內的極小值點。
- 求出 x 後,代回 y=x 即可得到最接近的點座標。
答題過程
展開
設曲線上任意點為 P(x,x),其中 x≥0。
該點到 A(1,0) 的距離平方設為 f(x):
f(x)===(x−1)2+(x−0)2x2−2x+1+xx2−x+1
為求最接近點,我們對 f(x) 求導:
f′(x)=2x−1
令 f′(x)=0⟹x=21。
由於二次導數 f′′(x)=2>0,故在 x=21 處 f(x) 取得絕對極小值(亦即距離最短)。
此時 y 座標為:
y=x=21=21
因此,曲線上距離 (1,0) 最近的點座標為:
(21,21).
解法二(幾何梯度法)
思路
展開
- 利用幾何性質:曲線上距離已知點最近的點,其與已知點的連線向量必須垂直於該點處的切線向量(即平行於法線向量)。
- 定義隱函數 g(x,y)=y−x=0,其梯度向量 ∇g(x,y) 即為法線方向。
- 設曲線點為 P(a,b),已知點為 A(1,0)。連線向量 AP=(a−1)i+bj 與 ∇g(a,b) 平行:
AP∥∇g(a,b)
- 解此平行關係即可求出 a 與 b。
答題過程
展開
設曲線上最近的點為 P(a,b),滿足 b=a 且 a≥0。
定義隱函數:
g(x,y)=y−x=0
其在點 P(a,b) 的梯度向量(法線方向)為:
∇g(a,b)=(−2x1i+j)(a,b)=−2a1i+j
已知點為 A(1,0),連線向量為:
AP=(a−1)i+bj=(a−1)i+aj
因為連線向量必須平行於法線方向:
AP∥∇g(a,b)⟹−2a1a−1=1a
展開並解方程:
a−1=−2a1⋅a⟹a−1=−21⟹a=21
代回 b=a=21。
故最接近的點座標為:
(21,21).