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数学
题目

13.已知函数f(x,y)=x+y+xy,曲线C:x^2+y^2+xy=3,求f(x,y)在曲线C上的最大方向导数.

13.

已知函数f(x,y)=x+y+xy,曲线C:x^2+y^2+xy=3,求f(x,y)在曲线C上的最大方向导数.

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本题解析:

【分析】函数在一点处沿梯度方向的方向导数最大,进而转化为条件最值问题

函数f(x,y)=x+y+xy在点(x,y)处的最大方向导数为

数学一,章节练习,数学一真题

构造拉格朗日函数

数学一,章节练习,数学一真题

(2)-(1)得(y-x)(2+λ)=0

若y=x,则y=x=±1,若λ=-2,则x=-1,y=2或x=2,y=-1.

把两个点坐标代入数学一,章节练习,数学一真题中,f(x,y)在曲线C上的最大方向导数为3.

【评注】此题有一定新意,关键是转化为求条件极值问题.

解析

考查要点:本题主要考查方向导数的最大值与条件极值的求解方法,需要综合运用多元微分学和拉格朗日乘数法。

解题核心思路:

  1. 方向导数的最大值等于函数在该点的梯度模长,因此问题转化为求梯度模长在约束条件下的最大值。
  2. 构造拉格朗日函数,通过求解偏导方程组找到可能的极值点。
  3. 分类讨论方程解的可能情况,代入约束条件筛选出符合条件的点,最终比较得出最大值。

破题关键点:

  • 梯度方向对应最大方向导数,需正确计算梯度模长表达式。
  • 拉格朗日乘数法的应用,注意联立方程时的代数变形技巧。
  • 分类讨论方程解的两种可能性(变量相等或参数特定值),避免遗漏解。

步骤1:计算梯度模长
函数$f(x,y)=x+y+xy$的梯度为:
$\nabla f = \left( \frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y} \right) = (1+y, 1+x)$
梯度模长为:
$\|\nabla f\| = \sqrt{(1+y)^2 + (1+x)^2}$

步骤2:构造拉格朗日函数
在约束条件$x^2 + y^2 + xy = 3$下,构造拉格朗日函数:
$L(x,y,\lambda) = (1+y)^2 + (1+x)^2 + \lambda(x^2 + y^2 + xy -3)$

步骤3:求偏导并解方程组
对$x$、$y$、$\lambda$求偏导,得方程组:
$\begin{cases}\frac{\partial L}{\partial x} = 2(1+x) + \lambda(2x + y) = 0 \\\frac{\partial L}{\partial y} = 2(1+y) + \lambda(2y + x) = 0 \\x^2 + y^2 + xy = 3\end{cases}$

步骤4:方程组化简
将前两式相减,得:
$(y - x)(2 + \lambda) = 0$
分两种情况讨论:

  1. 若$y = x$:代入约束条件得$3x^2 = 3 \Rightarrow x = \pm 1$,对应点$(1,1)$和$(-1,-1)$。计算模长分别为$2\sqrt{2}$和$0$。
  2. 若$\lambda = -2$:联立$x + y = 1$与约束条件,解得点$(2,-1)$和$(-1,2)$,对应模长均为$3$。

步骤5:比较结果
最大方向导数为$3$。

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