求平面x/3+y/4+z/5=1和柱面x2+y2=1的交线上与平面距离最短的点.

作者&投稿:璩宗 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
平面x/3+y/4+z/5=1和柱面x^2+y^2=1的交线上到平面xoy最短的点,希望能写出详细的步骤,不胜感激。~

几何法:
设柱面x^2+y^2=1交xOy平面于圆O:x^2+y^2=1(z=0)
平面x/3+y/4+z/5=1交xOy平面于直线AB:x/3+y/4=1(z=0),A(0,4,0),B(3,0,0)
过O做OC⊥AB于C,交圆O于D
cosCOB=sinABO=4/5
sinCOB=cosABO=3/5
所以D点坐标为(4/5,3/5,0)
所求点即为过D点且垂直于xOy平面的直线与平面x/3+y/4+z/5=1的交点
将D点坐标代入平面方程即得所求点坐标(4/5,3/5,35/12)

解析法:
设该点坐标为(cosa,sina,z),a∈[0,2π)
则(cosa)/3+(sina)/4+z/5=1
z=5-(25/12)((4/5)cosa+(3/5)sina)
=5-(25/12)sin(a+b)
其中b∈(0,π/2),且sinb=4/5,cosb=3/5
当a+b=π/2+2kπ时,k∈Z
z最小为35/12
此时a=π/2-b
cosa=sinb=4/5,sina=cosb=3/5
故所求点坐标为(4/5,3/5,25/12)

首先根据后面的方程 令 x = cos(theta) ,y = sin(theta),这样就简单多了,具体代码如下

[theta z] = fminbnd(@(theta) 5*(1-cos(theta)/3-sin(theta)/4),0,2*pi);
x = cos(theta);
y = sin(theta);

disp(['最近点的值 z = ',num2str(z),' 坐标(x,y) = (',num2str(x),',',num2str(y),')'])

这是因为求距离都是正值,距离公式外都要加绝对值符号,作目标函数时,平方后就不会出现负数问题,你若对空间图形有直观的了解,就不必用平方项,因为平面x/3+y/4+z/5=1是经过
A(3,0,0),B(0,4,0),C(0,0,5)三点,柱面在XOY平面交线为圆心O,半径为1,其交线只能在第一卦限和第三卦限,第一卦限为最小值,第三卦限为最大值,平面x/3+y/4+z/5=1至XOY平面距离就是z坐标值,
z=(5-5x/3-5y/4),
限制条件:x^2+y^2=1,
设φ(x,y)=x^2+y^2-1=0,
作函数Φ(x,y)=5-5x/3-5y/4+λ(x^2+y^2-1),
�6�8Φ/�6�8x=-5/3+2λx=0,
�6�8Φ/�6�8y=-5/4+2λy=0,
λ=5/(6x),
λ=5/(8y),
5/(6x)=6/(8y),
y=3x/4,
代入限制条件,x^2+y^2=1,
x^2+9x^2/16=1,
x^2=16/25,
x=±4/5,
y=±3/5,
当x=4/5,y=3/5时,是交线上与xOy平面距离最短的点,
距离为:z(min)=35/12,
当x=-4/5,y=-3/5时,是交线上与xOy平面距离最长的点。
z(max)=85/12,
∴平面x/3+y/4+z/5=1和柱面x^2+y^2=1的交线上与xOy平面距离最短的点为(4/5,3/5.35/12),

在不知道距离的正负值时一定要用平方来作目标函数。
现不知距离的正负值,则设距离的平方来作目标函数,
设D=(60-20x-15y)^2/144,
作函数Φ(x,y)=(60-20x-15y/4)^2/144+λ(x^2+y^2-1),
令�6�8Φ/�6�8x=-5(60-20x-15y)/18+2λx=0,
�6�8Φ/�6�8y=-5(60-20x-15y)/24+2λy=0,
λ=5(60-20x-15y)/(36x)
λ=5(60-20x-15y)/(48y),
5(60-20x-15y)/(36x)=5(60-20x-15y)/(48y),,
∵60-20x-15y≠0,
∴y=3x/4,
代入限制条件函数x^2+y^2=1,
x=±4/5,
y=±3/5,
取正值为最小点,
z(min)=[1-(4/5)/3-(3/5)/4]*5=35/12
∴平面x/3+y/4+z/5=1和柱面x^2+y^2=1的交线上与xOy平面距离最短的点为(4/5,3/5,35/12).

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