Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

114 台綜大微積分 B 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 B

114學年度 · 114微積分B · 第 8 題

題目

Problem

Let f(x,y)=x+sin⁡(x+2y)f(x, y) = x + \sin(x+2y). Find the unit vector in the direction in which ff increases most rapidly at the point (0,0)(0, 0) and give the rate of change of ff in that direction.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題考查多元函數的梯度與方向導數性質。
  2. 多元函數 f(x,y)f(x, y) 在某一點處增加最快的方向即為該點處的梯度向量 ∇f\nabla f 的方向。
  3. 其對應的最大增加變化率即為該梯度向量的長度(模長,∥∇f∥\|\nabla f\|)。
  4. 第一步:求偏導數與梯度:
    • fx(x,y)=1+cos⁡(x+2y)⋅(1)=1+cos⁡(x+2y)f_x(x, y) = 1 + \cos(x+2y) \cdot (1) = 1 + \cos(x+2y)
    • fy(x,y)=cos⁡(x+2y)⋅(2)=2cos⁡(x+2y)f_y(x, y) = \cos(x+2y) \cdot (2) = 2\cos(x+2y)
    • 將點 (0,0)(0, 0) 代入,求得 ∇f(0,0)=⟨fx(0,0),fy(0,0)⟩\nabla f(0, 0) = \langle f_x(0,0), f_y(0,0) \rangle。
  5. 第二步:標準化為單位向量:
    • 單位向量 u=∇f(0,0)∥∇f(0,0)∥\mathbf{u} = \frac{\nabla f(0,0)}{\|\nabla f(0,0)\|}。
  6. 變化率即為梯度長度 ∥∇f(0,0)∥\|\nabla f(0,0)\|。

答題過程

展開

第一步:計算函數在 (0,0)(0, 0) 的梯度

我們對函數 f(x,y)=x+sin⁡(x+2y)f(x, y) = x + \sin(x+2y) 求偏導數:

∂f∂x=1+cos⁡(x+2y)⋅1=1+cos⁡(x+2y)\frac{\partial f}{\partial x} = 1 + \cos(x+2y) \cdot 1 = 1 + \cos(x+2y) ∂f∂y=cos⁡(x+2y)⋅2=2cos⁡(x+2y)\frac{\partial f}{\partial y} = \cos(x+2y) \cdot 2 = 2\cos(x+2y)

將點 (x,y)=(0,0)(x, y) = (0, 0) 代入偏導數中:

fx(0,0)=1+cos⁡(0)=1+1=2f_x(0, 0) = 1 + \cos(0) = 1 + 1 = 2 fy(0,0)=2cos⁡(0)=2(1)=2f_y(0, 0) = 2\cos(0) = 2(1) = 2

因此,在原點 (0,0)(0, 0) 的梯度向量為:

∇f(0,0)=⟨2, 2⟩\nabla f(0, 0) = \langle 2,\, 2 \rangle

第二步:求最大增加方向的單位向量

函數增加最快的方向即為梯度的方向。我們計算其長度:

∥∇f(0,0)∥=22+22=8=22\|\nabla f(0, 0)\| = \sqrt{2^2 + 2^2} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}

將其方向標準化,求出單位方向向量 u\mathbf{u}:

u=∇f(0,0)∥∇f(0,0)∥=⟨2, 2⟩22=⟨12, 12⟩\mathbf{u} = \frac{\nabla f(0, 0)}{\|\nabla f(0, 0)\|} = \frac{\langle 2,\, 2 \rangle}{2\sqrt{2}} = \left\langle \frac{1}{\sqrt{2}},\, \frac{1}{\sqrt{2}} \right\rangle

第三步:求最大變化率

函數在該方向上的最大增加變化率即為梯度向量的模長:

最大變化率=∥∇f(0,0)∥=22\text{最大變化率} = \|\nabla f(0, 0)\| = 2\sqrt{2}

結論:

  • 單位向量為 ⟨12, 12⟩\left\langle \frac{1}{\sqrt{2}},\, \frac{1}{\sqrt{2}} \right\rangle。
  • 最大變化率為 222\sqrt{2}。