下册 7.5 多元函数微分的应用 第36题
📝 题目
36.证明或求解下列问题.
(1)设 $F(x, y)=0$ 为平面光滑曲线 $\Gamma$ 的方程,即 $F(x, y)$ 具有连续的一阶偏导数,且 $\left(F_{x}(x, y)\right)^{2}+\left(F_{y}(x, y)\right)^{2} \neq 0$ ,又设 $P\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 为该曲线上到 $O(0,0)$ 最近的点,求证:$O P$ 与曲线在点 $P\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 处的切线正交.
(2)设 $F(x, y)=0$ 为平面光滑曲线 $\Gamma$ 的方程,即 $F(x, y)$ 具有连续的一阶偏导数,且 $\left(F_{x}(x, y)\right)^{2}+\left(F_{y}(x, y)\right)^{2} \neq 0$ ,又设 $\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 为该曲线外一点,$\left(x_{1}, y_{1}\right)$ 为该曲线上到 $\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 最近的点,求曲线 $\Gamma$ 在 $\left(x_{1}, y_{1}\right)$ 的法线方程.
(3)证明:在光滑曲面 $F(x, y, z)=0$ 上离原点最近的点处的法线过原点.
(4)设 $\Sigma$ 为由 $F(x, y, z)=0$ 表示的曲面,其中 $F(x, y, z)$ 是连续可微函数,$B\left(b_{1}, b_{2}, b_{3}\right)$ 为曲面 $\Sigma$ 外一点,$A\left(a_{1}, a_{2}, a_{3}\right)$ 为 $\Sigma$ 上距离最近的点,求曲面 $\Sigma$ 在点 $A$ 处的切平面方程.
(5)设曲面 $\Sigma: F(x, y, z)=1$ 满足条件:$x F_{x}+y F_{y}+z F_{z}=n, n \in \mathbf{N}^{+}$。点 $P_{0}\left(x_{0}, y_{0}, z_{0}\right) \in \Sigma$ 满足 $\left(F_{x}, F_{y}, F_{z}\right) \neq(0,0,0)$ ,且 $F(x, y, z)$ 在 $P_{0}\left(x_{0}, y_{0}, z_{0}\right)$ 可微,证明:曲面 $\Sigma$ 在点 $P_{0}\left(x_{0}, y_{0}, z_{0}\right)$ 处的切平面方程为 $x F_{x}\left(P_{0}\right)+y F_{y}\left(P_{0}\right)+z F_{z}\left(P_{0}\right)=n$ .
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
(1)曲线在点 $P\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 处的切线方程及法线方程分别为
$$
F_{x}\left(x_{0}, y_{0}\right)\left(x-x_{0}\right)+F_{y}\left(x_{0}, y_{0}\right)\left(y-y_{0}\right)=0, F_{y}\left(x_{0}, y_{0}\right)\left(x-x_{0}\right)-F_{x}\left(x_{0}, y_{0}\right)\left(y-y_{0}\right)=0 .
$$
记 $L(x, y, \lambda)=x^{2}+y^{2}+\lambda F(x, y)$ .曲线上到 $O(0,0)$ 最近的点 $P\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 满足如下的条件:
$$
L_{x}(x, y, \lambda)=2 x+\lambda F_{x}(x, y)=0, L_{y}(x, y, \lambda)=2 y+\lambda F_{y}(x, y)=0, L_{\lambda}(x, y, \lambda)=F(x, y)=0 .
$$
由此可知 $\displaystyle \frac{x_{0}}{F_{x}\left(P_{0}\right)}=\frac{y_{0}}{F_{y}\left(P_{0}\right)}$ .这表明原点满足过点 $P_{0}\left(x_{0}, y_{0}, z_{0}\right)$ 的法线方程,即 $O P$ 为曲线过点 $P\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 的法线,从而 $O P$ 与曲线过点 $P\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 的切线正交.
(2)记 $L(x, y, \lambda)=\left(x-x_{0}\right)^{2}+\left(y-y_{0}\right)^{2}+\lambda F(x, y)$ .曲线上到 $\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 最近的点 $\left(x_{1}, y_{1}\right)$ 满足如下
的条件:
$$
L_{x}(x, y, \lambda)=2\left(x-x_{0}\right)+\lambda F_{x}(x, y)=0, L_{y}(x, y, \lambda)=2\left(y-y_{0}\right)+\lambda F_{y}(x, y)=0, L_{\lambda}(x, y, \lambda)=F(x, y)=0
$$
由此知
$$
F_{x}\left(x_{1}, y_{1}\right): F_{y}\left(x_{1}, y_{1}\right)=\left(x_{1}-x_{0}\right):\left(y_{1}-y_{0}\right)
$$
即过点 $P\left(x_{0}, y_{0}\right)$ 及点 $\left(x_{1}, y_{1}\right)$ 的直线为法线,所以曲线 $\Gamma$ 过点 $\left(x_{1}, y_{1}\right)$ 的法线方程为
$$
\frac{x-x_{0}}{x_{1}-x_{0}}=\frac{y-y_{0}}{y_{1}-y_{0}}
$$
(3)曲面在 $P_{0}\left(x_{0}, y_{0}, z_{0}\right)$ 处的法线方程为 $\displaystyle \frac{x-x_{0}}{F_{x}\left(P_{0}\right)}=\frac{y-y_{0}}{F_{y}\left(P_{0}\right)}=\frac{z-z_{0}}{F_{z}\left(P_{0}\right)}$ .
记 $L(x, y, z, \lambda)=x^{2}+y^{2}+z^{2}+\lambda F(x, y, z)$ .曲面 $F(x, y, z)=0$ 上离原点最近的点 $P_{0}\left(x_{0}, y_{0}, z_{0}\right)$满足如下的条件:
$$
\left\{\begin{array}{l}
L_{x}(x, y, z, \lambda)=2 x+\lambda F_{x}(x, y, z)=0 \\
L_{y}(x, y, z, \lambda)=2 y+\lambda F_{y}(x, y, z)=0 \\
L_{z}(x, y, z, \lambda)=2 z+\lambda F_{z}(x, y, z)=0 \\
L_{\lambda}(x, y, z, \lambda)=F(x, y, z)=0
\end{array}\right.
$$
由此知 $\displaystyle \frac{x_{0}}{F_{x}\left(P_{0}\right)}=\frac{y_{0}}{F_{y}\left(P_{0}\right)}=\frac{z_{0}}{F_{z}\left(P_{0}\right)}$ .这表明原点满足过点 $P_{0}\left(x_{0}, y_{0}, z_{0}\right)$ 的法线方程。
(4)记 $L(x, y, z, \lambda)=\left(x-b_{1}\right)^{2}+\left(y-b_{2}\right)^{2}+\left(z-b_{3}\right)^{2}+\lambda F(x, y, z)$ .曲线上到 $B\left(b_{1}, b_{2}, b_{3}\right)$ 最近的点 $A\left(a_{1}, a_{2}, a_{3}\right)$ 满足如下的条件:
$$
\left\{\begin{array}{l}
L_{x}(x, y, z, \lambda)=2\left(x-b_{1}\right)+\lambda F_{x}(x, y, z)=0 \\
L_{y}(x, y, z, \lambda)=2\left(y-b_{2}\right)+\lambda F_{y}(x, y, z)=0 \\
L_{z}(x, y, z, \lambda)=2\left(z-b_{3}\right)+\lambda F_{z}(x, y, z)=0 \\
L_{\lambda}(x, y, z, \lambda)=F(x, y, z)=0
\end{array}\right.
$$
由此知 $F_{x}(A): F_{y}(A): F_{z}(A)=\left(a_{1}-b_{1}\right):\left(a_{2}-b_{2}\right):\left(a_{3}-b_{3}\right)$ 。这表明过点 $B\left(b_{1}, b_{2}, b_{3}\right)$ 及点 $A\left(a_{1}, a_{2}, a_{3}\right)$的直线为法线,所以曲面 $\Sigma$ 在点 $A$ 的法线方程为
$$
\frac{x-a_{1}}{b_{1}-a_{1}}=\frac{y-a_{2}}{b_{2}-a_{2}}=\frac{z-a_{3}}{b_{3}-a_{3}}
$$
在点 $A\left(a_{1}, a_{2}, a_{3}\right)$ 处的切平面方程为
$$
\left(b_{1}-a_{1}\right)\left(x-a_{1}\right)+\left(b_{2}-a_{2}\right)\left(y-a_{2}\right)+\left(b_{3}-a_{3}\right)\left(z-a_{3}\right)=0
$$
(5)设 $G(x, y, z)=F(x, y, z)-1$ ,则 $G_{x}=F_{x}(x, y, z), G_{y}=F_{y}(x, y, z), G_{z}=F_{z}(x, y, z)$ .
在 $P_{0}\left(x_{0}, y_{0}, z_{0}\right)$ 的切平面方程为
化简得
$$
\begin{gathered}
F_{x}\left(P_{0}\right)\left(x-x_{0}\right)+F_{y}\left(P_{0}\right)\left(y-y_{0}\right)+F_{z}\left(P_{0}\right)\left(z-z_{0}\right)=0 \\
F_{x}\left(P_{0}\right) x+F_{y}\left(P_{0}\right) y+F_{z}\left(P_{0}\right) z=F_{x}\left(P_{0}\right) x_{0}+F_{y}\left(P_{0}\right) y_{0}+F_{z}\left(P_{0}\right) z_{0}
\end{gathered}
$$
把 $x F_{x}+y F_{y}+z F_{z}=n$ 代人上式得 $x F_{x}\left(P_{0}\right)+y F_{y}\left(P_{0}\right)+z F_{z}\left(P_{0}\right)=n$ .
📋 详细解题步骤
步骤 1/9
目标:问题(1):建立拉格朗日函数并求极值条件
设曲线 $\Gamma$ 上点 $P(x,y)$ 到原点 $O(0,0)$ 的距离平方为 $d^2 = x^2 + y^2$。在约束 $F(x,y)=0$ 下求最小值,构造拉格朗日函数 $L(x,y,\lambda)=x^2+y^2+\lambda F(x,y)$。由极值必要条件,有
$$\begin{cases}
L_x = 2x + \lambda F_x = 0 \\
L_y = 2y + \lambda F_y = 0 \\
L_\lambda = F(x,y) = 0
\end{cases}$$
在点 $P(x_0,y_0)$ 处成立。
公式:拉格朗日乘数法:$\nabla f = \lambda \nabla g$
提示:注意距离平方的最小值等价于距离的最小值,避免开方运算。
步骤 2/9
目标:问题(1):推导法线方向与向量OP共线
由 $2x_0 + \lambda F_x(P)=0$ 和 $2y_0 + \lambda F_y(P)=0$,消去 $\lambda$ 得 $\frac{x_0}{F_x(P)} = \frac{y_0}{F_y(P)}$。这表明向量 $(x_0,y_0)$ 与梯度向量 $(F_x(P),F_y(P))$ 平行,而梯度方向是曲线的法线方向,因此 $OP$ 与法线同向,从而与切线正交。
公式:梯度方向为法线方向
提示:注意 $\lambda$ 可能为零,但若 $\lambda=0$ 则 $x_0=y_0=0$,此时原点在曲线上,但题目中 $P$ 为最近点,原点不在曲线上,故 $\lambda\neq0$。
步骤 3/9
目标:问题(2):建立拉格朗日函数并求极值条件
设曲线 $\Gamma$ 上点 $(x,y)$ 到定点 $(x_0,y_0)$ 的距离平方为 $d^2 = (x-x_0)^2+(y-y_0)^2$。构造拉格朗日函数 $L(x,y,\lambda)=(x-x_0)^2+(y-y_0)^2+\lambda F(x,y)$。极值条件为
$$\begin{cases}
L_x = 2(x-x_0) + \lambda F_x = 0 \\
L_y = 2(y-y_0) + \lambda F_y = 0 \\
L_\lambda = F(x,y) = 0
\end{cases}$$
在点 $(x_1,y_1)$ 处成立。
公式:拉格朗日乘数法
提示:注意定点 $(x_0,y_0)$ 在曲线外,因此 $(x_1,y_1)\neq (x_0,y_0)$。
步骤 4/9
目标:问题(2):推导法线方程
由极值条件消去 $\lambda$ 得 $\frac{x_1-x_0}{F_x(x_1,y_1)} = \frac{y_1-y_0}{F_y(x_1,y_1)}$,即向量 $(x_1-x_0,y_1-y_0)$ 与梯度平行,故连线方向为法线方向。因此法线方程为
$$\frac{x-x_0}{x_1-x_0} = \frac{y-y_0}{y_1-y_0}$$
注意这里法线过定点 $(x_0,y_0)$ 和曲线上点 $(x_1,y_1)$。
公式:法线方程:$\frac{x-x_0}{a} = \frac{y-y_0}{b}$
提示:法线方程有多种形式,注意使用点向式。
步骤 5/9
目标:问题(3):建立拉格朗日函数并求极值条件
设曲面 $F(x,y,z)=0$ 上点 $(x,y,z)$ 到原点的距离平方为 $d^2 = x^2+y^2+z^2$。构造拉格朗日函数 $L(x,y,z,\lambda)=x^2+y^2+z^2+\lambda F(x,y,z)$。极值条件为
$$\begin{cases}
L_x = 2x + \lambda F_x = 0 \\
L_y = 2y + \lambda F_y = 0 \\
L_z = 2z + \lambda F_z = 0 \\
L_\lambda = F(x,y,z) = 0
\end{cases}$$
在点 $P_0(x_0,y_0,z_0)$ 处成立。
公式:拉格朗日乘数法(三维)
提示:与二维类似,注意梯度非零。
步骤 6/9
目标:问题(3):证明法线过原点
由极值条件消去 $\lambda$ 得 $\frac{x_0}{F_x(P_0)} = \frac{y_0}{F_y(P_0)} = \frac{z_0}{F_z(P_0)}$,即向量 $(x_0,y_0,z_0)$ 与梯度平行,而梯度方向是法线方向,因此法线方向向量为 $(x_0,y_0,z_0)$,法线过点 $P_0$ 且方向指向原点,故法线过原点。
公式:法线方程:$\frac{x-x_0}{F_x} = \frac{y-y_0}{F_y} = \frac{z-z_0}{F_z}$
提示:注意原点坐标 $(0,0,0)$ 满足法线方程。
步骤 7/9
目标:问题(4):建立拉格朗日函数并求极值条件
设曲面 $\Sigma$ 上点 $(x,y,z)$ 到定点 $B(b_1,b_2,b_3)$ 的距离平方为 $d^2 = (x-b_1)^2+(y-b_2)^2+(z-b_3)^2$。构造拉格朗日函数 $L(x,y,z,\lambda)=(x-b_1)^2+(y-b_2)^2+(z-b_3)^2+\lambda F(x,y,z)$。极值条件为
$$\begin{cases}
L_x = 2(x-b_1) + \lambda F_x = 0 \\
L_y = 2(y-b_2) + \lambda F_y = 0 \\
L_z = 2(z-b_3) + \lambda F_z = 0 \\
L_\lambda = F(x,y,z) = 0
\end{cases}$$
在点 $A(a_1,a_2,a_3)$ 处成立。
公式:拉格朗日乘数法
提示:注意 $B$ 在曲面外,故 $A\neq B$。
步骤 8/9
目标:问题(4):推导切平面方程
由极值条件消去 $\lambda$ 得 $\frac{a_1-b_1}{F_x(A)} = \frac{a_2-b_2}{F_y(A)} = \frac{a_3-b_3}{F_z(A)}$,即向量 $\overrightarrow{BA}$ 与梯度平行,故 $\overrightarrow{BA}$ 是法线方向。因此切平面法向量为 $\overrightarrow{BA} = (b_1-a_1, b_2-a_2, b_3-a_3)$,切平面方程为
$$(b_1-a_1)(x-a_1)+(b_2-a_2)(y-a_2)+(b_3-a_3)(z-a_3)=0$$
公式:切平面方程:$\nabla F \cdot (X - A) = 0$
提示:注意法向量方向可以取相反方向,但方程形式不变。
步骤 9/9
目标:问题(5):利用已知条件推导切平面方程
曲面 $\Sigma: F(x,y,z)=1$,在点 $P_0(x_0,y_0,z_0)$ 处的切平面方程为
$$F_x(P_0)(x-x_0)+F_y(P_0)(y-y_0)+F_z(P_0)(z-z_0)=0$$
展开得
$$F_x(P_0)x+F_y(P_0)y+F_z(P_0)z = F_x(P_0)x_0+F_y(P_0)y_0+F_z(P_0)z_0$$
由已知条件 $x F_x + y F_y + z F_z = n$ 在曲面上成立,代入 $P_0$ 得 $x_0 F_x(P_0)+y_0 F_y(P_0)+z_0 F_z(P_0)=n$。因此切平面方程为
$$x F_x(P_0)+y F_y(P_0)+z F_z(P_0)=n$$
公式:切平面方程及已知恒等式
提示:注意条件 $x F_x+y F_y+z F_z=n$ 是恒等式,在曲面上每点成立。
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