求椭圆上距离原点最远的点
嘿,这个问题挺有意思的!你一开始觉得最远点在x轴上,这个直觉其实很准,咱们用数学方法严谨验证一下就清楚了~
首先,咱们的目标是找到椭圆 $\dfrac{(x-3)2}{25}+\dfrac{y2}{16}=1$ 上到原点 $(0,0)$ 距离最大的点。直接用距离公式 $d = \sqrt{x^2 + y^2}$ 计算有点麻烦,咱们可以换个思路:距离的最大值和距离平方的最大值对应同一个点,所以直接优化 $d^2 = x^2 + y^2$ 就好,省去开根号的步骤。
步骤1:把y²用x表示出来
从椭圆方程里解出 $y^2$:
$$y^2 = 16\left(1 - \dfrac{(x-3)^2}{25}\right)$$
步骤2:代入距离平方的表达式,转化为单变量函数
把上面的 $y^2$ 代入 $d^2$,得到只关于x的函数:
$$d^2 = x^2 + 16\left(1 - \dfrac{(x-3)^2}{25}\right)$$
接下来展开并整理这个式子:
$$
\begin{align*}
d^2 &= x^2 + 16 - \dfrac{16}{25}(x^2 - 6x + 9) \
&= x^2 - \dfrac{16}{25}x^2 + \dfrac{96}{25}x + 16 - \dfrac{144}{25} \
&= \dfrac{9}{25}x^2 + \dfrac{96}{25}x + \dfrac{256}{25}
\end{align*}
$$
步骤3:分析二次函数的单调性,找到最大值
这是一个开口向上的二次函数(二次项系数 $\dfrac{9}{25} > 0$),它的最小值在顶点处,但最大值得看x的取值范围:椭圆中心在 $(3,0)$,长半轴为5,所以x的范围是 $3-5=-2$ 到 $3+5=8$,也就是 $x \in [-2, 8]$。
这个二次函数的对称轴是 $x = -\dfrac{b}{2a} = -\dfrac{16}{3} \approx -5.33$,在x的取值范围左侧,所以在 $[-2,8]$ 区间内,函数是单调递增的——x越大,$d^2$ 就越大。
步骤4:计算最大值对应的点
当x取最大值8时,代入椭圆方程:
$$\dfrac{(8-3)^2}{25} + \dfrac{y^2}{16} = 1$$
计算得 $\dfrac{25}{25} + \dfrac{y^2}{16} = 1$,解得 $y=0$,所以这个点是 $(8,0)$,到原点的距离是8。
验证:有没有非x轴上的点更远?
咱们用拉格朗日乘数法验证一下:构造拉格朗日函数 $L = x^2 + y^2 - \lambda\left(\dfrac{(x-3)^2}{25} + \dfrac{y^2}{16} - 1\right)$,对x、y求偏导并令其为0:
- 对x求导:$2x - \lambda\cdot\dfrac{2(x-3)}{25} = 0$,化简得 $25x = \lambda(x-3)$
- 对y求导:$2y - \lambda\cdot\dfrac{2y}{16} = 0$,如果 $y \neq 0$,可得 $\lambda=16$,代入上式解得 $x=-\dfrac{16}{3}$,但这个x不在椭圆的x范围内,所以这种情况不存在。
也就是说,所有非x轴上的点都不可能比 $(8,0)$ 更远。
结论:椭圆上距离原点最远的点就是 $(8,0)$,你的直觉完全正确!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者basilinnia




