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112 台綜大微積分(A) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

112學年度 · 112微積分A · 第 2 題

題目

Problem

2. Find the point on the curve y=xy = \sqrt{x} that is closest to the point (1,0)(1, 0). (10%)

解答

解法一(距離函數求導)

思路

展開
  1. 設曲線上任意一點為 P(x,y)=(x,x)P(x, y) = (x, \sqrt{x}),其中 x≥0x \ge 0。
  2. 該點到已知點 A(1,0)A(1, 0) 的距離平方函數設為 f(x)f(x): f(x)=d2=(x−1)2+(y−0)2=(x−1)2+xf(x) = d^2 = (x-1)^2 + (y-0)^2 = (x-1)^2 + x
  3. 將 f(x)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≥0x \ge 0 範圍內的極小值點。
  4. 求出 xx 後,代回 y=xy = \sqrt{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)P(x, \sqrt{x}),其中 x≥0x \ge 0。 該點到 A(1,0)A(1, 0) 的距離平方設為 f(x)f(x):

f(x)= (x−1)2+(x−0)2= x2−2x+1+x= x2−x+1\begin{align*} f(x) =&\, (x - 1)^2 + (\sqrt{x} - 0)^2 \\[2mm] =&\, x^2 - 2x + 1 + x \\[2mm] =&\, x^2 - x + 1 \end{align*}

為求最接近點,我們對 f(x)f(x) 求導:

f′(x)=2x−1f'(x) = 2x - 1

令 f′(x)=0  ⟹  x=12f'(x) = 0 \implies x = \frac{1}{2}。

由於二次導數 f′′(x)=2>0f''(x) = 2 > 0,故在 x=12x = \frac{1}{2} 處 f(x)f(x) 取得絕對極小值(亦即距離最短)。 此時 yy 座標為:

y=x=12=12y = \sqrt{x} = \sqrt{\frac{1}{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}}

因此,曲線上距離 (1,0)(1, 0) 最近的點座標為:

(12,12) .\left(\frac{1}{2}, \frac{1}{\sqrt{2}}\right) \,.

解法二(幾何梯度法)

思路

展開
  1. 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)。
  2. 定義隱函數 g(x,y)=y−x=0g(x, y) = y - \sqrt{x} = 0,其梯度向量 ∇g(x,y)\nabla g(x, y) 即為法線方向。
  3. 設曲線點為 P(a,b)P(a, b),已知點為 A(1,0)A(1, 0)。連線向量 AP⃗=(a−1)i+bj\vec{AP} = (a-1)\mathbf{i} + b\mathbf{j} 與 ∇g(a,b)\nabla g(a, b) 平行: AP⃗∥∇g(a,b)\vec{AP} \parallel \nabla g(a, b)
  4. 解此平行關係即可求出 aa 與 bb。

答題過程

展開

設曲線上最近的點為 P(a,b)P(a, b),滿足 b=ab = \sqrt{a} 且 a≥0a \ge 0。 定義隱函數:

g(x,y)=y−x=0g(x, y) = y - \sqrt{x} = 0

其在點 P(a,b)P(a, b) 的梯度向量(法線方向)為:

∇g(a,b)=(−12xi+j)∣(a,b)=−12ai+j\nabla g(a, b) = \left. \left( -\frac{1}{2\sqrt{x}}\mathbf{i} + \mathbf{j} \right) \right|_{(a, b)} = -\frac{1}{2\sqrt{a}}\mathbf{i} + \mathbf{j}

已知點為 A(1,0)A(1, 0),連線向量為:

AP⃗=(a−1)i+bj=(a−1)i+aj\vec{AP} = (a - 1)\mathbf{i} + b\mathbf{j} = (a - 1)\mathbf{i} + \sqrt{a}\mathbf{j}

因為連線向量必須平行於法線方向:

AP⃗∥∇g(a,b)  ⟹  a−1−12a=a1\vec{AP} \parallel \nabla g(a, b) \implies \frac{a - 1}{-\frac{1}{2\sqrt{a}}} = \frac{\sqrt{a}}{1}

展開並解方程:

a−1=−12a⋅a  ⟹  a−1=−12  ⟹  a=12a - 1 = -\frac{1}{2\sqrt{a}} \cdot \sqrt{a} \implies a - 1 = -\frac{1}{2} \implies a = \frac{1}{2}

代回 b=a=12b = \sqrt{a} = \frac{1}{\sqrt{2}}。

故最接近的點座標為:

(12,12) .\left(\frac{1}{2}, \frac{1}{\sqrt{2}}\right) \,.