方企勤 第五章 多元函数微分学 第7题

教材习题

📝 题目

例 7 求椭圆 $5{x}^{2} + {4xy} + 2{y}^{2} = 1$ 的长半轴 $a$ 和短半轴 $b$ .

💡 答案解析

解 问题可转化为求函数 $f\left( {x,y}\right) = {x}^{2} + {y}^{2}$ 在条件 $5{x}^{2} + {4xy} +$ $2{y}^{2} = 1$ 下的极值. 令

$$ \Phi \left( {x,y}\right) = {x}^{2} + {y}^{2} - \lambda \left( {5{x}^{2} + {4xy} + 2{y}^{2} - 1}\right) , $$

$$ \left\{ \begin{array}{l} {\Phi }_{x}^{\prime } = {2x} - {10\lambda x} - {4\lambda y} = 0, \\ {\Phi }_{y}^{\prime } = {2y} - {4\lambda x} - {4\lambda y} = 0, \end{array}\right. $$

化简得

$$ \left\{ \begin{array}{l} \left( {1 - {5\lambda }}\right) x - {2\lambda y} = 0, \\ - {2\lambda x} + \left( {1 - {2\lambda }}\right) y = 0. \end{array}\right. \tag{4.14} $$ (4. 15)

要上述方程组有非零解 (因从实际意义看条件极值存在, 即方程组一定有解), 其系数行列式必须为零, 即

$$ \left| \begin{matrix} 1 - {5\lambda } & - {2\lambda } \\ - {2\lambda } & 1 - {2\lambda } \end{matrix}\right| = 0, $$

由此得 $1 - {7\lambda } + 6{\lambda }^{2} = 0$ ,解出 ${\lambda }_{1} = 1,{\lambda }_{2} = 1/6$ . 设对应于 ${\lambda }_{i}$ ,方程组的解为 $\left( {{x}_{i},{y}_{i}}\right) \left( {i = 1,2}\right)$ ,把它们代入方程组,且 (4.14) 式 $\times {x}_{i} + \left( {4.15}\right)$ 式 $\times {y}_{i}$ ,得

$$ {x}_{i}^{2} + {y}_{i}^{2} - {\lambda }_{i}\left( {5{x}_{i}^{2} + 4{x}_{i}{y}_{i} + 2{y}_{i}^{2}}\right) = 0, $$

即得

$$ \left\{ \begin{array}{l} {x}_{1}^{2} + {y}_{1}^{2} = {\lambda }_{1} = 1, \\ {x}_{2}^{2} + {y}_{2}^{2} = {\lambda }_{2} = 1/6. \end{array}\right. $$

所以长半轴 $a = \sqrt{{x}_{1}^{2} + {y}_{1}^{2}} = 1,b = \sqrt{{x}_{2}^{2} + {y}_{2}^{2}} = 1/\sqrt{6}$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:将问题转化为条件极值问题
求椭圆的长半轴和短半轴等价于求椭圆上点到原点距离的最大值和最小值,即求函数 f(x,y)=x^2+y^2 在条件 5x^2+4xy+2y^2=1 下的极值。
公式:f(x,y)=x^2+y^2, 约束条件: 5x^2+4xy+2y^2=1
提示:注意椭圆中心在原点,长半轴和短半轴对应距离的极值。
步骤 2/6
目标:构造拉格朗日函数
令 Φ(x,y)=x^2+y^2-λ(5x^2+4xy+2y^2-1)。
公式:Φ(x,y)=x^2+y^2-λ(5x^2+4xy+2y^2-1)
提示:拉格朗日乘数法用于求解条件极值。
步骤 3/6
目标:求偏导数并令为零
计算 Φ 对 x 和 y 的偏导数:Φ_x'=2x-10λx-4λy=0, Φ_y'=2y-4λx-4λy=0。化简得方程组:(1-5λ)x-2λy=0, -2λx+(1-2λ)y=0。
公式:Φ_x'=2x-10λx-4λy=0, Φ_y'=2y-4λx-4λy=0
提示:注意化简时合并同类项。
步骤 4/6
目标:利用非零解条件求λ
方程组有非零解,系数行列式为零:|1-5λ, -2λ; -2λ, 1-2λ|=0,展开得 (1-5λ)(1-2λ)-4λ^2=1-7λ+6λ^2=0,解得 λ1=1, λ2=1/6。
公式:|1-5λ, -2λ; -2λ, 1-2λ|=0 → 1-7λ+6λ^2=0
提示:行列式为零保证非零解存在。
步骤 5/6
目标:代入方程组求极值
将 λ_i 对应的解 (x_i,y_i) 代入方程组,并利用 (1-5λ)x-2λy=0 乘以 x 加上 -2λx+(1-2λ)y=0 乘以 y,得 x_i^2+y_i^2-λ_i(5x_i^2+4x_i y_i+2y_i^2)=0。由于约束条件 5x_i^2+4x_i y_i+2y_i^2=1,所以 x_i^2+y_i^2=λ_i。因此 λ1=1 对应最大值,λ2=1/6 对应最小值。
公式:x_i^2+y_i^2=λ_i
提示:利用约束条件简化计算。
步骤 6/6
目标:得出长半轴和短半轴
长半轴 a=√(x1^2+y1^2)=√1=1,短半轴 b=√(x2^2+y2^2)=√(1/6)=1/√6。
公式:a=1, b=1/√6
提示:注意长半轴对应较大值。

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