7.1 第5次作业评讲
7.1.1 解答和证明部分
解1
设曲面上一点的坐标为,则原点到该点的距离平方为
显然,故在上有最小值。驻点方程为
通过第二个方程解得
代入第一个方程中化简可得
求导可得
且、,故在上有唯一零点。因此为在上的唯一驻点,亦即最小值点。
为了计算得到,我们可以使用Newton迭代法。设迭代初值,利用Taylor展开构造迭代公式:
利用Excel进行迭代计算,迭代至即收敛,结果为
代入原式可得最短距离的平方为
故最短距离为。
解2
构造Lagrange函数
驻点方程为
消去后,得到的方程与解1相同。
解1
显然,构造Lagrange函数
驻点方程为
关于的Hesse矩阵为
其显然正定,故为极小值点。
记,其为闭集。由于连续,且,故在闭集上有最小值,即为在上的最小值点。
对于上确界,令,此时
当或时,都有。故的取值范围为。
解2
从约束条件中解出可得
则应当满足
构造目标函数
驻点方程为
的Hesse矩阵为
其显然正定,故为极小值点,此时。后续讨论同理。
解3
由权方和不等式可得
后续讨论同理。
解
曲面上的一点处的切平面为
该平面与三个坐标平面围成的四面体体积为
令,则原题转化为:正数满足,求的最大值。由AM-GM不等式可得
此时,则切平面为。
解
参见例5.3.9,取值范围为,最小值在等边三角形时取得,上确界在等腰三角形的腰与底的比值趋于时以极限形式取得。
解
由于被积函数关于在积分域二元连续,故可交换积分顺序,计算可得
故原积分为。
解1(利用)
限制,其中,被积函数对参数求偏导可得
注意到
由Weierstrass强函数判别法知原积分关于参数一致收敛。计算可得,当时,有
当时,有
故有
令,设满足,注意到
故有
解2(利用)
当时,限制,其中,类似上例可得
注意到
代入可得
解3(升幂)
设,考虑计算
被积函数对参数求偏导可得
注意到
故
关于参数一致收敛,因此
注
本题最大的难点在于:若直接将被积函数对求偏导,得到的积分对并不一致收敛!正确的做法是:(1)考虑使用内闭一致收敛,利用极限延伸至;(2)与(1)相似,但是费些力气计算出;(3)考虑将升幂为。