第1章 多變數函數與等高線
1.1 同一個函數的三種圖
二變數實函數 f:D→ℝ 把一對輸入 (x,y) 送到一個實數。D 是定義域;畫圖前要先找它,例如分母不能為零、實數平方根的被開方量必須非負。公式相同但定義域不同,能取到的值和後來的極值也可能不同。
曲面是三維中的 (x,y,f(x,y)),其中 (x,y)∈D。固定 y=b 時,只對滿足 (x,b)∈D 的 x 取 f(x,b),它的圖是曲面在 y=b 平面中的截線。這個定義域可能只含幾段,甚至為空。固定輸出 c 則得到輸入平面中的等高集合 f(x,y)=c。等高集合可能是曲線、單點、整片區域或空集合。比較等高線距離時,也要核對相鄰的高度差。
1.2 四個例題
例題1 先找定義域,再取值
f(x,y)=√(4−x²−y²) 要求 4−x²−y²≥0,所以 D 是半徑 2 的閉圓盤。原點取值 2,(1,1) 取值 √2,邊界取值 0。由 0≤x²+y²≤4,且沿 x 軸可達每個半徑,值域是從 0 到 2 的閉區間。
例題2 由高度反推半徑
f(x,y)=x²+y²。高度 c=4 要求 x²+y²=4,半徑 2;c=0 只剩原點;c<0 沒有點,因平方和非負。這三種等高集合來自同一曲面。
例題3 固定座標不固定高度
z=x²−y²。在 y=1 的切片上是 z=x²−1,頂點高度 −1;在 x=1 的切片上是 z=1−y²,頂點高度 1。同一曲面沿兩個方向,一邊向上開口、一邊向下。
例題4 限制定義域會截掉等高線
令 f(x,y)=x+y,只在 x≥0、y≥0 且 x+y≤2 的三角形上定義。高度 1 的點是 (t,1−t) 且 0≤t≤1;若忽略定義域,就會把它誤畫成整條直線。
1.3 練習
- B09-C01-Q01 求 f(x,y)=1/(x−y) 的定義域,並算 f(3,1)。
- B09-C01-Q02 寫出 f(x,y)=2x−y 在 y=2 的截線。
- B09-C01-Q03 求 x²+4y²=4 的四個軸截點。
- B09-C01-Q04 若 f(x,y)=3,描述 c=3 與 c=0 的等高集合。
- B09-C01-Q05 求 g(x,y)=√(x+y−1) 的定義域及 g(2,3)。
- B09-C01-Q06 f(x,y)=xy 的零等高集合是什麼?
- B09-C01-Q07 f(x,y)=xy 的高度 2 是否包含 (1,2) 與 (−1,2)?
- B09-C01-Q08 在 0≤x≤1、0≤y≤2 上找 2x+y 的值域。
- B09-C01-Q09 把 x²+y²=9 放回曲面 z=x²+y²,截線在什麼平面?
- B09-C01-Q10 f=x²+y² 與 g=2(x²+y²) 的等高圖有何關係?
1.4 完整解答
Q01
分母 x−y 不能為 0,排除直線 x=y。點 (3,1) 合法,代入得 1/(3−1)=1/2。
Q02
以 2 固定 y,留下 z=2x−2。它在平面 y=2 內,並不要求 z=2。
Q03
令 y=0 得 x=±2,截點為 (−2,0)、(2,0)。令 x=0 得 y=±1,截點為 (0,−1)、(0,1)。因此橢圓較寬的一軸沿 x。
Q04
每個合法輸入都輸出 3,所以 c=3 的集合是整個定義域;c=0 的集合是空的。
Q05
被開方量要非負,故 x+y≥1。代入點 (2,3),根號內是 4,所以 g(2,3)=2。
Q06
乘積為零若且唯若至少一個因子為零,故集合是 x 軸與 y 軸的聯集,兩支在原點相交。
Q07
第一點乘積 1·2=2,在等高集合;第二點乘積 −1·2=−2,不在其中。
Q08
各項非負且 2x+y≤2+2=4。沿 (t,2t) 讓 0≤t≤1,輸出 4t 走遍整段,因此值域是從 0 到 4 的閉區間。
Q09
等高圓每點皆有輸出 9,所以其三維對應是平面 z=9 中的半徑 3 圓,而不是 y=9 的切片。
Q10
g 的高度 c 對應 f 的高度 c/2,因 2f=c 等價於 f=c/2。圓形幾何家族相同,但同一個圓的標高加倍,不能只看間距就說兩者同樣陡。