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105 台灣大學微積分(C) 第 5 題

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105學年度 · 105台大微積分C · 第 5 題

題目

5. Let f(x,y)=x2−exy2f(x,y)=x^2-e^{xy^2} and the surface SS be the graph of the function z=f(x,y)z=f(x,y). Let P=(1,0,0)∈SP=(1,0,0)\in S and p=(1,0)p=(1,0) in the xyxy-plane.

(a) (10%)(10\%) If the unit vector u\mathbf{u} (in the xyxy-plane) at pp is the direction (among all directions at pp) along which the height (i.e. the value of zz) of SS increases most rapidly, then u=(7)‾\mathbf{u}=\underline{\quad(7)\quad}.

(b) (10%)(10\%) Write HH for the plane x+2y+3z=1x+2y+3z=1 and the curve CC for the intersection S∩HS\cap H. Let LL be the tangent line to CC at PP and NN be the plane perpendicular to LL at PP. Then the equation of NN is (8)‾\underline{\quad(8)\quad}.

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.f_x=2x-y^2e^{xy^2},\qquad f_y=-2xye^{xy^2}.

在 p=(1,0)p=(1,0),

∇f(1,0)=(2,0).\nabla 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).\mathbf u=\frac{\nabla f(1,0)}{|\nabla f(1,0)|}=\boxed{(1,0)}.

(b) 垂直於交線切線的平面

將曲面 SS 寫成

F(x,y,z)=z−f(x,y)=0.F(x,y,z)=z-f(x,y)=0.

在 P=(1,0,0)P=(1,0,0),其法向量為

∇F(P)=(−fx(1,0),−fy(1,0),1)=(−2,0,1).\nabla F(P)=(-f_x(1,0),-f_y(1,0),1)=(-2,0,1).

平面 H:x+2y+3z=1H:x+2y+3z=1 的法向量為 ∇H=(1,2,3)\nabla 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).\begin{align*} \mathbf v =&\,\nabla F(P)\times\nabla H\\[4mm] =&\,(-2,0,1)\times(1,2,3)\\[4mm] =&\,(-8,7,-4). \end{align*}

平面 NN 垂直於切線 LL,故可用 v\mathbf v 作為 NN 的法向量。通過 PP 的平面方程為

−8(x−1)+7y−4z=0.-8(x-1)+7y-4z=0.

等價地,答案可寫成

8x−7y+4z=8.\boxed{8x-7y+4z=8}.