7.1 第5次作业评讲

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

解1 设曲面上一点的坐标为(x,y,−x2y−e2x),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)在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(1−x3+x4)=0 求导可得(5)g′(x)=1+10x4+9x8+e4x(8−6x2+8x4)≥1>0 且limx→−∞g(x)=−∞、limx→+∞g(x)=+∞,故g(x)在R上有唯一零点x∗。因此(x∗,y∗)为f在R2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=xn−g(xn)g′(xn) 利用Excel进行迭代计算,迭代至x8即收敛,结果为(7)x∗≈x8=−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。 ◻

解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=0⟹z=−x2y−e2x 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-6,green-circle93%) 已知正数x,y,z满足1x+1y+1z=1,求x+y+z的取值范围。

解1 显然x,y,z>1,构造Lagrange函数(11)L(x,y,z,λ)=x+y+z+λ(1x+1y+1z−1) 驻点方程为(12)∇L=(1−λx21−λy21−λz21x+1y+1z−1)=0⟹{x=y=z3x−1=0⟹x=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。

记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)为f在D上的最小值点。

对于上确界,令y=z=2xx−1>0,此时(14)x+y+z=x(x+3)x−1 当x→1+或x→+∞时,都有x+y+z→+∞。故x+y+z的取值范围为[9,+∞)。 ◻

解2 从约束条件中解出z可得(15)z=11−x−1−y−1=xyxy−x−y>0 则x,y应当满足(16)x>1,y>xx−1 构造目标函数(17)f(x,y)=x+y+z(x,y)=x+y+xyxy−x−y 驻点方程为(18)∇f=(x(y−1)(xy−x−2y)(xy−x−y)2y(x−1)(xy−y−2x)(xy−x−y)2)=0⟹{xy−x−2y=0xy−y−2x=0⟹x=y=3 f的Hesse矩阵为(19)H=2(xy−x−y)3(y2(y−1)xyxyx2(x−1))=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。 ◻

解3 由权方和不等式可得(20)x+y+z=12x−1+12y−1+12z−1≥(1+1+1)2x−1+y−1+z−1=9 后续讨论同理。 ◻

例 7.1.3 (解答题3,keycap-1keycap-7,green-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。

解 曲面f(x,y,z)=x+y+z−1=0上的一点(x0,y0,z0)处的切平面为(21)x−x02x0+y−y02y0+z−z02z0=0⟹xx0+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 令(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=16abc≤16(a+b+c3)3=16⋅127=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-7,green-circle92%) 设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。

解 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-7,blue-circle100%) 计算:(24)∫−π/2π/2∫12eysin⁡xydydx

解 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/2eysin⁡xydx=−yeycos⁡xy|x=−π/2π/2=−yeycos⁡π2y+yeycos⁡−π2y=0 故原积分为0。 ◻

例 7.1.6 (解答题6,keycap-1keycap-7,yellow-circle82%) 对任意x≥0,计算:(26)I(x)=∫−∞+∞ln⁡(1+x2t2)1+t2dt

解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+x2t2≤2ε(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x≠1时,有(29)I′(x)=∫−∞+∞2x1−x2(11+x2t2−11+t2)dt=21−x2(arctan⁡xt−xarctan⁡t)t=−∞+∞=2π(1−x)1−x2=2π1+x 当x=1时,有(30)I′(1)=4∫0+∞t2(1+t2)2dt=s=t−14∫0+∞s−2(1+s−2)2dss2=4∫0+∞1(s2+1)2ds2I′(1)=4∫0+∞t2+1(1+t2)2dt=2π⟹I′(1)=π=2π1+1 故有(31)I(x)=I(ε)+∫εx2π1+tdt=I(ε)+2πln⁡1+x1+ε 令ε→0+,设A>0满足x>A⟹ln⁡(1+x)<x1/4,注意到(32)limε→0+I(ε)=2limε→0+∫0+∞ln⁡(1+ε2t2)1+t2dt≤2limε→0+[∫0Aε2t21+t2dt+∫A+∞εt1+t2dt]≤2limε→0+[ε2A+ε∫A+∞dtt3/2]=0 故有(33)I(x)=2πln⁡(1+x) ◻

解2(利用I(1)) 当x≠0时,限制x∈[ε,+∞),其中ε>0,类似上例可得(34)I(x)=I(x0)+∫x0x2π1+tdt=I(x0)+2πln⁡1+x1+x0 注意到(35)∫−∞+∞ln⁡(1+t2)1+t2dt=∫−∞+∞ln⁡(1+t2)darctan⁡t=θ=arctan⁡t∫−π/2π/2ln⁡(1+tan2⁡θ)=−4∫0π/2ln⁡cos⁡θdθ=−4⋅(−π2ln⁡2)=2πln⁡2 代入x0=1可得(36)I(x)=2πln⁡2+2πln⁡1+x2=2πln⁡(1+x) ◻

解3(升幂) 设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+y2⋅2y 注意到(39)4y3t21+y4t2=t214(1y3+yt23+yt23+yt23)≤t21y3⋅yt23⋅yt23⋅yt234=33/4|t| 故(40)∫−∞+∞4y3t2(1+t2)(1+y4t2)dt≤2⋅33/4∫0+∞t1+t2dt 关于参数y∈[0,+∞)一致收敛,因此(41)J(y)=J(0)+∫0y2π1+t2⋅2tdt=2πln⁡(1+y2)⟹I(x)=2πln⁡(1+x) ◻

注 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。