7.1 第5次作业评讲

7.1.1 解答和证明部分

例 7.1.1 (解答题1,keycap-1keycap-6yellow-circle80%) 求三维直角坐标系中原点到曲面x2y+e2x+z=0的最短距离。

1 设曲面上一点的坐标为(x,y,x2ye2x),则原点到该点的距离平方为(1)f(x,y)=x2+y2+(x2y+e2x)2 显然lim(x,y)f(x,y)=+,故f(x,y)R2上有最小值。驻点方程为(2)f=2(x+(x2y+e2x)(2xy+2e2x)y+(x2y+e2x)x2)=0 通过第二个方程解得(3)y=x2e2x1+x4 代入第一个方程中化简可得(4)g(x)=x(1+x4)2+2e4x(1x3+x4)=0 求导可得(5)g(x)=1+10x4+9x8+e4x(86x2+8x4)1>0limxg(x)=limx+g(x)=+,故g(x)R上有唯一零点x。因此(x,y)fR2上的唯一驻点,亦即最小值点。

为了计算得到x,我们可以使用Newton迭代法。设迭代初值x0=0,利用Taylor展开构造迭代公式:(6)xn+1=xng(xn)g(xn) 利用Excel进行迭代计算,迭代至x8即收敛,结果为(7)xx8=0.407091518544949 代入原式可得最短距离的平方为(8)f(x,y)0.356727682455897 故最短距离为dmin=f(x,y)=0.597266843593295

2 构造Lagrange函数(9)L(x,y,z,λ)=x2+y2+z2+λ(x2y+e2x+z) 驻点方程为(10)L=(2x+λ(2xy+2e2x)2y+λx22z+λx2y+e2x+z)=0{λ=0x2y+e2x+z=0z=x2ye2x 消去z,λ后,得到的方程与解1相同。

例 7.1.2 (解答题2,keycap-1keycap-6green-circle93%) 已知正数x,y,z满足1x+1y+1z=1,求x+y+z的取值范围。

1 显然x,y,z>1,构造Lagrange函数(11)L(x,y,z,λ)=x+y+z+λ(1x+1y+1z1) 驻点方程为(12)L=(1λx21λy21λz21x+1y+1z1)=0{x=y=z3x1=0x=y=z=3,λ=9 L关于(x,y,z)的Hesse矩阵为(13)H=(2λx30002λy30002λz3)=23I 其显然正定,故(x,y,z)=(3,3,3)为极小值点。

D={(x,y,z)R3 | 1x+1y+1z=1},其为闭集。由于f(x,y,z):=x+y+z连续,且limD(x,y,z)=+,故f在闭集D上有最小值,即(3,3,3)fD上的最小值点。

对于上确界,令y=z=2xx1>0,此时(14)x+y+z=x(x+3)x1x1+x+时,都有x+y+z+。故x+y+z的取值范围为[9,+)

2 从约束条件中解出z可得(15)z=11x1y1=xyxyxy>0x,y应当满足(16)x>1,y>xx1 构造目标函数(17)f(x,y)=x+y+z(x,y)=x+y+xyxyxy 驻点方程为(18)f=(x(y1)(xyx2y)(xyxy)2y(x1)(xyy2x)(xyxy)2)=0{xyx2y=0xyy2x=0x=y=3 f的Hesse矩阵为(19)H=2(xyxy)3(y2(y1)xyxyx2(x1))=23(2112) 其显然正定,故(x,y)=(3,3)为极小值点,此时z=3。后续讨论同理。

3 由权方和不等式可得(20)x+y+z=12x1+12y1+12z1(1+1+1)2x1+y1+z1=9 后续讨论同理。

例 7.1.3 (解答题3,keycap-1keycap-7green-circle99%) 求曲面x+y+z=1的一个切平面,使得该平面与三个坐标平面围成的四面体体积最大。

曲面f(x,y,z)=x+y+z1=0上的一点(x0,y0,z0)处的切平面为(21)xx02x0+yy02y0+zz02z0=0xx0+yy0+zz0=x0+y0+z0=1 该平面与三个坐标平面围成的四面体体积为(22)V=16x0y0z0(a,b,c)=(x0,y0,z0),则原题转化为:正数a,b,c满足a+b+c=1,求V=16abc的最大值。由AM-GM不等式可得(23)V=16abc16(a+b+c3)3=16127=1162 此时a=b=c=13,则切平面为x+y+z=13

例 7.1.4 (解答题4,keycap-1keycap-7green-circle92%) a,b,c是一个三角形的三条边的长度,求ab+c+bc+a+ca+b的取值范围。

参见例5.3.9,取值范围为[32,2),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。

例 7.1.5 (解答题5,keycap-1keycap-7blue-circle100%) 计算:(24)π/2π/212eysinxydydx

由于被积函数关于(x,y)在积分域二元连续,故可交换积分顺序,计算可得(25)π/2π/2eysinxydx=yeycosxy|x=π/2π/2=yeycosπ2y+yeycosπ2y=0 故原积分为0

例 7.1.6 (解答题6,keycap-1keycap-7yellow-circle82%) 对任意x0,计算:(26)I(x)=+ln(1+x2t2)1+t2dt

1(利用I(0)) 限制x[ε,+),其中ε>0,被积函数对参数求偏导可得(27)+xln(1+x2t2)1+t2dt=+2xt2(1+t2)(1+x2t2)dt 注意到(28)2xt2(1+t2)(1+x2t2)2ε(1+t2)x2t21+x2t22ε(1+t2) 由Weierstrass强函数判别法知原积分关于参数x[ε,+)一致收敛。计算可得,当x1时,有(29)I(x)=+2x1x2(11+x2t211+t2)dt=21x2(arctanxtxarctant)t=+=2π(1x)1x2=2π1+xx=1时,有(30)I(1)=40+t2(1+t2)2dt=s=t140+s2(1+s2)2dss2=40+1(s2+1)2ds2I(1)=40+t2+1(1+t2)2dt=2πI(1)=π=2π1+1 故有(31)I(x)=I(ε)+εx2π1+tdt=I(ε)+2πln1+x1+εε0+,设A>0满足x>Aln(1+x)<x1/4,注意到(32)limε0+I(ε)=2limε0+0+ln(1+ε2t2)1+t2dt2limε0+[0Aε2t21+t2dt+A+εt1+t2dt]2limε0+[ε2A+εA+dtt3/2]=0 故有(33)I(x)=2πln(1+x)

2(利用I(1))x0时,限制x[ε,+),其中ε>0,类似上例可得(34)I(x)=I(x0)+x0x2π1+tdt=I(x0)+2πln1+x1+x0 注意到(35)+ln(1+t2)1+t2dt=+ln(1+t2)darctant=θ=arctantπ/2π/2ln(1+tan2θ)=40π/2lncosθdθ=4(π2ln2)=2πln2 代入x0=1可得(36)I(x)=2πln2+2πln1+x2=2πln(1+x)

3(升幂)y=x[0,+),考虑计算(37)J(y)=+ln(1+y4t2)1+t2dt 被积函数对参数求偏导可得(38)+yln(1+y4t2)1+t2dt=+4y3t2(1+t2)(1+y4t2)dt=2π1+y22y 注意到(39)4y3t21+y4t2=t214(1y3+yt23+yt23+yt23)t21y3yt23yt23yt234=33/4|t|(40)+4y3t2(1+t2)(1+y4t2)dt233/40+t1+t2dt 关于参数y[0,+)一致收敛,因此(41)J(y)=J(0)+0y2π1+t22tdt=2πln(1+y2)I(x)=2πln(1+x)

本题最大的难点在于:若直接将被积函数对x求偏导,得到的积分对x[0,+)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x=0;(2)与(1)相似,但是费些力气计算出I(1);(3)考虑将x2升幂为y4