문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

다변수 미분 전체 문제

이 단원의 모든 연습문제입니다. 소단원으로 좁혀 보려면 아래 꼬리표를 누르세요.

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

6문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 2.1절 · 9번대학 수준우리말 번역

다음 각 극한의 값을 구하거나, 극한이 존재하지 않음을 보이세요.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,1)x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,1)} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2}

영어 원문 보기

Evaluate each of the following limits or show that it does not exist.

(a) lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow (0,0)}\frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} (b) lim⁡(x,y)→(0,1)x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2\displaystyle \lim_{(x,y)\rightarrow(0,1)} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2}

정답·풀이 보기

(a) 극좌표 x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta 에서

2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2r2cos⁡2θ+r3cos⁡2θsin⁡θ−r3cos⁡θsin⁡2θ+2r2sin⁡2θr2=2+r[cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ]\begin{aligned} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} &=\frac{2r^2\cos^2\theta + r^3\cos^2\theta\sin\theta - r^3\cos\theta\sin^2\theta + 2r^2\sin^2\theta}{r^2} \\ &=2+ r\big[\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big] \end{aligned}

이고

r∣cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ∣≤2r→0 이때 r→0r\big|\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big| \le 2r \rightarrow 0\text{ 이때 }r\rightarrow 0

이므로

lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2}=2

이다.

(b) x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2=x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2\begin{aligned} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2} =\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} \end{aligned}

이고, (0,1)(0,1) 을 중심으로 하는 극좌표 x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=1+rsin⁡θy=1+r\sin\theta 에서

x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2=r4cos⁡2θsin⁡2θr4=cos⁡2θsin⁡2θ\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} =\frac{r^4\cos^2\theta\sin^2\theta}{r^4} =\cos^2\theta\sin^2\theta

이므로 극한은 존재하지 않는다. 예를 들어 (x,y)(x,y) 를 직선 y=1y=1 을 따라 (0,1)(0,1) 로 보내면 θ=0\theta=0 이므로 극한은 00 이고, (x,y)(x,y) 를 직선 y=x+1y=x+1 을 따라 (0,1)(0,1) 로 보내면 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 이므로 극한은 14\frac{1}{4} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) In polar coordinates x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=rsin⁡θy=r\sin\theta

2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2r2cos⁡2θ+r3cos⁡2θsin⁡θ−r3cos⁡θsin⁡2θ+2r2sin⁡2θr2=2+r[cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ]\begin{aligned} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2} &=\frac{2r^2\cos^2\theta + r^3\cos^2\theta\sin\theta - r^3\cos\theta\sin^2\theta + 2r^2\sin^2\theta}{r^2} \\ &=2+ r\big[\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big] \end{aligned}

As

r∣cos⁡2θsin⁡θ−sin⁡2θcos⁡θ∣≤2r→0 as r→0r\big|\cos^2\theta\sin\theta - \sin^2\theta\cos\theta \big| \le 2r \rightarrow 0\text{ as }r\rightarrow 0

we have

lim⁡(x,y)→(0,0)2x2+x2y−y2x+2y2x2+y2=2\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)} \frac{2x^2 + x^2y - y^2x + 2y^2}{x^2 + y^2}=2

(b) Since

x2y2−2x2y+x2(x2+y2−2y+1)2=x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2\begin{aligned} \frac{x^2y^2 -2 x^2y + x^2} {(x^2 + y^2-2y+1)^2} =\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} \end{aligned}

and, in polar coordinates centred on (0,1)(0,1), x=rcos⁡θx=r\cos\theta, y=1+rsin⁡θy=1+r\sin\theta,

x2(y−1)2[x2+(y−1)2]2=r4cos⁡2θsin⁡2θr4=cos⁡2θsin⁡2θ\frac{x^2(y-1)^2} {\big[x^2 + (y-1)^2\big]^2} =\frac{r^4\cos^2\theta\sin^2\theta}{r^4} =\cos^2\theta\sin^2\theta

we have that the limit does not exist. For example, if we send (x,y)(x,y) to (0,1)(0,1) along the line y=1y=1, so that θ=0\theta=0, we get the limit 00, while if we send (x,y)(x,y) to (0,1)(0,1) along the line y=x+1y=x+1, so that θ=π4\theta=\frac{\pi}{4}, we get the limit 14\frac{1}{4}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.1절 · 8번
# 다변수함수의 극한과 연속증명·논술도전자동 분류
2.CLP-3 · 2.3절 · 7번대학 수준우리말 번역

α>0\alpha >0 를 상수라 하자. u(x,y,z,t)=1t3/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\displaystyle u(x,y,z,t) =\frac{1}{t^{3/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} 가 열방정식

ut=α(uxx+uyy+uzz)u_t = \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big)

을 모든 t>0t>0 에 대해 만족함을 보이세요.

영어 원문 보기

Let α>0\alpha >0 be a constant. Show that u(x,y,z,t)=1t3/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\displaystyle u(x,y,z,t) =\frac{1}{t^{3/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} satisfies the heat equation

ut=α(uxx+uyy+uzz)u_t = \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big)

for all t>0t>0

정답·풀이 보기

ut(x,y,z,t)=−321t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+14α t7/2(x2+y2+z2)e−(x2+y2+z2)/(4αt)ux(x,y,z,t)=−x2α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uxx(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uyy(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+y24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uzz(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+z24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\begin{aligned} u_t(x,y,z,t) &=-\frac{3}{2}\frac{1}{t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{1}{4\alpha \,t^{7/2}}(x^2+y^2+z^2) e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_x(x,y,z,t) &=-\frac{x}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{xx}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{yy}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{y^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{zz}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{z^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \end{aligned}

이므로 다음을 얻는다.

α(uxx+uyy+uzz)=−32 t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x2+y2+z24α t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)=ut\begin{aligned} \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big) &=-\frac{3}{2\,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2+y^2+z^2}{4\alpha \,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} =u_t \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

As

ut(x,y,z,t)=−321t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+14α t7/2(x2+y2+z2)e−(x2+y2+z2)/(4αt)ux(x,y,z,t)=−x2α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uxx(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uyy(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+y24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)uzz(x,y,z,t)=−12α t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+z24α2 t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)\begin{aligned} u_t(x,y,z,t) &=-\frac{3}{2}\frac{1}{t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{1}{4\alpha \,t^{7/2}}(x^2+y^2+z^2) e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_x(x,y,z,t) &=-\frac{x}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{xx}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{yy}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{y^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \\ u_{zz}(x,y,z,t) &=-\frac{1}{2\alpha \,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{z^2}{4\alpha ^2\,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} \end{aligned}

we have

α(uxx+uyy+uzz)=−32 t5/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)+x2+y2+z24α t7/2e−(x2+y2+z2)/(4αt)=ut\begin{aligned} \alpha \big(u_{xx} + u_{yy} + u_{zz} \big) &=-\frac{3}{2\,t^{5/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} +\frac{x^2+y^2+z^2}{4\alpha \,t^{7/2}} e^{-(x^2+y^2+z^2)/(4\alpha t)} =u_t \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.3절 · 6번
# 편도함수증명·논술도전자동 분류
3.CLP-3 · 2.4절 · 26번대학 수준우리말 번역

파동 방정식

∂2u∂x2−1c2 ∂2u∂t2=0\frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\,\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0

은 파동과 같은 현상을 다루는 많은 모형에서 나타난다. u(x,t)u(x,t) 와 v(ξ,η)v(\xi,\eta) 가 다음의 변수 변환으로 서로 연결되어 있다고 하자.

u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))ξ(x,t)=x−ctη(x,t)=x+ct\begin{aligned} u(x,t)&=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\\ \xi(x,t)&=x-ct\\ \eta(x,t)&=x+ct \end{aligned}

(a)  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ 일 필요충분조건이  ∂2v∂ξ∂η=0\ \frac{\partial^2 v}{\partial\xi\partial\eta}=0 임을 보이세요. (b)  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ 일 필요충분조건이 어떤 함수 FF 와 GG 에 대해  u(x,t)=F(x−ct)+G(x+ct) \ u(x,t)=F(x-ct)+G(x+ct)\ 임을 보이세요. (c)  F(x−ct)+G(x+ct) \ F(x-ct)+G(x+ct)\ 를 진행파의 관점에서 해석하세요. u(x,t)u(x,t) 를 xx 축을 따라 진행하는 파동의, 위치 xx 와 시각 tt 에서의 높이라고 생각하세요.

참고: 낯선 기호 ξ\xi 와 η\eta 에 당황하지 마세요. 이들은 그리스 문자 중 해롭지 않은 두 글자일 뿐이며, 각각 “크사이”와 “에타”라고 읽습니다.

영어 원문 보기

The wave equation

∂2u∂x2−1c2 ∂2u∂t2=0\frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\,\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0

arises in many models involving wave-like phenomena. Let u(x,t)u(x,t) and v(ξ,η)v(\xi,\eta) be related by the change of variables

u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))ξ(x,t)=x−ctη(x,t)=x+ct\begin{aligned} u(x,t)&=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\\ \xi(x,t)&=x-ct\\ \eta(x,t)&=x+ct \end{aligned}

(a) Show that  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ if and only if  ∂2v∂ξ∂η=0\ \frac{\partial^2 v}{\partial\xi\partial\eta}=0. (b) Show that  ∂2u∂x2−1c2∂2u∂t2=0 \ \frac{\partial^2u}{\partial x^2} -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2u}{\partial t^2} =0\ if and only if  u(x,t)=F(x−ct)+G(x+ct) \ u(x,t)=F(x-ct)+G(x+ct)\ for some functions FF and GG. (c) Interpret  F(x−ct)+G(x+ct) \ F(x-ct)+G(x+ct)\ in terms of travelling waves. Think of u(x,t)u(x,t) as the height, at position xx and time tt, of a wave that is travelling along the xx-axis.

Remark: Don't be thrown by the strange symbols ξ\xi and η\eta. They are just two harmless letters from the Greek alphabet, called “xi” and “eta” respectively.

정답·풀이 보기

u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) 임을 기억하자. 연쇄 법칙에 의해

∂u∂x(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂u∂t(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t=−c∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+c∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial u}{\partial x}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x} \\ &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \\ \frac{\partial u}{\partial t}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t} \\ &= -c\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

연쇄 법칙을 다시 적용하면

∂2u∂x2(x,t)=∂∂x[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+∂∂x[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x+∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))+2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) &= \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] + \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big]\\ &= \frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\& + \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\ &=\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

이고

∂2u∂t2(x,t)=−c∂∂t[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+c∂∂t[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=−c[∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]+c[∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]=c2∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))−2c2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+c2∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) &=-c \frac{\partial }{\partial t} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] +c \frac{\partial }{\partial t} \Big[ \frac{\partial v}{\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] \\ &=-c \Big[\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big] \\& +c \Big[\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big]\\ &=c^2\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) -2c^2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c^2\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

이므로

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) =4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)

이다. 따라서

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0 모든 (x,t)  ⟺  4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))=0 모든 (x,t)  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 모든 (ξ,η)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 \text{ 모든 }(x,t) &\iff 4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)=0\text{ 모든 }(x,t)\\ &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ 모든 }(\xi,\eta) \end{aligned}

(b) 이제 ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=∂∂ξ[∂v∂η]=0\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta}\big(\xi,\eta\big) =\frac{\partial}{\partial\xi} \Big[\frac{\partial v}{\partial\eta}\Big]=0 이다. 잠시 ∂v∂η=w\frac{\partial v}{\partial \eta}=w 라고 놓자. 등식 ∂w∂ξ(ξ,η)=0\frac{\partial w}{\partial \xi}(\xi,\eta)=0 은, 각각의 고정된 η\eta 에 대해 w(ξ,η)w(\xi,\eta) 가 상수임을 뜻한다. 이 상수의 값은 η\eta 에 따라 달라질 수 있다. 즉 어떤 함수 HH 에 대해 ∂v∂η(ξ,η)=w(ξ,η)=H(η)\frac{\partial v}{\partial \eta}(\xi,\eta)=w(\xi,\eta) =H(\eta) 이다. (확인해 보면 ∂∂ξH(η)=0\frac{\partial }{\partial \xi}H(\eta)=0 이다.) 따라서 vv 의 η\eta 에 대한 도함수는 (ξ\xi 를 상수로 보면) H(η)H(\eta) 이다.

G(η)G(\eta) 를 도함수가 H(η)H(\eta) 인 임의의 함수 (즉 H(η)H(\eta) 의 부정적분)라고 하자. 그러면 ∂∂η[v(ξ,η)−G(η)]=H(η)−H(η)=0\frac{\partial }{\partial \eta}\big[v(\xi,\eta)-G(\eta)]=H(\eta)-H(\eta)=0 이다. 이것은 각각의 고정된 ξ\xi 에 대해 v(ξ,η)−G(ξ,η)v(\xi,\eta)-G(\xi,\eta) 가 η\eta 와 무관한 상수일 때, 그리고 그때에 한해 성립한다. 즉 다음과 필요충분조건이다.

v(ξ,η)−G(η)=F(ξ)v(\xi,\eta)-G(\eta)=F(\xi)

(어떤 함수 FF 에 대해). 따라서

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 모든 (ξ,η)  ⟺  v(ξ,η)=F(ξ)+G(η) 어떤 함수 F 와 G 에 대해  ⟺  u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))=F(ξ(x,t))+G(η(x,t))  ⟺  u(x,t) =F(x−ct)+G(x+ct)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ 모든 }(\xi,\eta)\\ &\iff v(\xi,\eta)=F(\xi)+G(\eta)\text{ 어떤 함수 $F$ 와 $G$ 에 대해}\\ &\iff u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) =F\big(\xi(x,t)\big)+G\big(\eta(x,t)\big)\\ &\phantom{\iff u(x,t)\,}=F(x-ct)+G(x+ct) \end{aligned}

(c) F(x−ct)F(x-ct) 의 해석을 제시하겠다. G(x+ct)G(x+ct) 의 경우도 비슷하다. u(x,t)=F(x−ct)u(x,t)=F(x-ct) 라고 하자. u(x,t)u(x,t) 를 위치 xx, 시각 tt 에서의 물의 높이라고 생각하자. 임의의 수 zz 를 잡자. 시공간에서 x−ct=zx-ct=z 를 만족하는 모든 점 (x,t)(x,t) 는 uu 의 값이 F(z)F(z) 로 모두 같다. 그러므로 위치가 x=z+ctx=z+ct 가 되도록 움직이면 (즉 속력 cc 로 오른쪽으로 움직이면) 항상 같은 파동의 높이를 보게 된다. 따라서 F(x−ct)F(x-ct) 는 속력 cc 로 오른쪽으로 진행하는 파동을 나타낸다.

그림

마찬가지로 G(x+ct)G(x+ct) 는 속력 cc 로 왼쪽으로 진행하는 파동을 나타낸다.

원본 교재 풀이(영어)

Recall that u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big). By the chain rule

∂u∂x(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂u∂t(x,t)=∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t=−c∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))+c∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial u}{\partial x}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x} \\ &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \\ \frac{\partial u}{\partial t}(x,t) &= \frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t} \\ &= -c\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

Again by the chain rule

∂2u∂x2(x,t)=∂∂x[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+∂∂x[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x+∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂x+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂x=∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))+2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) &= \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] + \frac{\partial }{\partial x} \Big[\frac{\partial v}{\partial \eta}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big]\\ &= \frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\& + \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial x} +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial x}\\ &=\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial \eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +\frac{\partial^2 v}{\partial \eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

and

∂2u∂t2(x,t)=−c∂∂t[∂v∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))]+c∂∂t[∂v∂η(ξ(x,t),η(x,t))]=−c[∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v ∂η∂ξ(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]+c[∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))∂ξ∂t+∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))∂η∂t]=c2∂2v∂ξ2(ξ(x,t),η(x,t))−2c2∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))+c2∂2v∂η2(ξ(x,t),η(x,t))\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) &=-c \frac{\partial }{\partial t} \Big[\frac{\partial v}{\partial \xi}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] +c \frac{\partial }{\partial t} \Big[ \frac{\partial v}{\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)\Big] \\ &=-c \Big[\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v\,}{\partial\eta\partial \xi} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big] \\& +c \Big[\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \xi}{\partial t} +\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \frac{\partial \eta}{\partial t}\Big]\\ &=c^2\frac{\partial^2 v}{\partial \xi^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) -2c^2\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) +c^2\frac{\partial^2 v}{\partial\eta^2}\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) \end{aligned}

so that

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t) =4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)

Hence

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0 for all (x,t)  ⟺  4∂2v ∂ξ∂η(ξ(x,t),η(x,t))=0 for all (x,t)  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 for all (ξ,η)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 \text{ for all }(x,t) &\iff 4\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big)=0\text{ for all }(x,t)\\ &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ for all }(\xi,\eta) \end{aligned}

(b) Now ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=∂∂ξ[∂v∂η]=0\frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta}\big(\xi,\eta\big) =\frac{\partial}{\partial\xi} \Big[\frac{\partial v}{\partial\eta}\Big]=0. Temporarily rename ∂v∂η=w\frac{\partial v}{\partial \eta}=w. The equation ∂w∂ξ(ξ,η)=0\frac{\partial w}{\partial \xi}(\xi,\eta)=0 says that, for each fixed η\eta, w(ξ,η)w(\xi,\eta) is a constant. The value of the constant may depend on η\eta. That is, ∂v∂η(ξ,η)=w(ξ,η)=H(η)\frac{\partial v}{\partial \eta}(\xi,\eta)=w(\xi,\eta) =H(\eta), for some function HH. (As a check, observe that ∂∂ξH(η)=0\frac{\partial }{\partial \xi}H(\eta)=0.) So the derivative of vv with respect to η\eta, (viewing ξ\xi as a constant) is H(η)H(\eta).

Let G(η)G(\eta) be any function whose derivative is H(η)H(\eta) (i.e. an indefinite integral of H(η)H(\eta)). Then ∂∂η[v(ξ,η)−G(η)]=H(η)−H(η)=0\frac{\partial }{\partial \eta}\big[v(\xi,\eta)-G(\eta)]=H(\eta)-H(\eta)=0. This is the case if and only if, for each fixed ξ\xi, v(ξ,η)−G(ξ,η)v(\xi,\eta)-G(\xi,\eta) is a constant, independent of η\eta. That is, if and only if

v(ξ,η)−G(η)=F(ξ)v(\xi,\eta)-G(\eta)=F(\xi)

for some function FF. Hence

∂2u∂x2(x,t)−1c2∂2u∂t2(x,t)=0  ⟺  ∂2v ∂ξ∂η(ξ,η)=0 for all (ξ,η)  ⟺  v(ξ,η)=F(ξ)+G(η) for some functions F and G  ⟺  u(x,t)=v(ξ(x,t),η(x,t))=F(ξ(x,t))+G(η(x,t))  ⟺  u(x,t) =F(x−ct)+G(x+ct)\begin{aligned} \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t) -\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}(x,t)=0 &\iff \frac{\partial^2 v\,}{\partial\xi\partial\eta} \big(\xi,\eta\big)=0\text{ for all }(\xi,\eta)\\ &\iff v(\xi,\eta)=F(\xi)+G(\eta)\text{ for some functions $F$ and $G$}\\ &\iff u(x,t)=v\big(\xi(x,t),\eta(x,t)\big) =F\big(\xi(x,t)\big)+G\big(\eta(x,t)\big)\\ &\phantom{\iff u(x,t)\,}=F(x-ct)+G(x+ct) \end{aligned}

(c) We'll give the interpretation of F(x−ct)F(x-ct). The case G(x+ct)G(x+ct) is similar. Suppose that u(x,t)=F(x−ct)u(x,t)=F(x-ct). Think of u(x,t)u(x,t) as the height of water at position xx and time tt. Pick any number zz. All points (x,t)(x,t) in space time for which x−ct=zx-ct=z have the same value of uu, namely F(z)F(z). So if you move so that your position is x=z+ctx=z+ct (i.e. you move the right with speed cc) you always see the same wave height. Thus F(x−ct)F(x-ct) represents a wave moving to the right with speed cc.

figure

Similarly, G(x+ct)G(x+ct) represents a wave moving to the left with speed cc.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.4절 · 17번
# 다변수 연쇄법칙증명·논술도전자동 분류
4.CLP-3 · 2.8절 · 13번대학 수준우리말 번역

u(x,y)u(x,y) 가 편미분방정식

α(x,y) ux(x,y)+β(x,y) uy(x,y)=0\alpha (x,y)\,u_x(x,y) +\beta (x,y)\,u_y(x,y)=0

을 만족한다고 하자. 여기서 α(x,y)\alpha (x,y) 와 β(x,y)\beta (x,y) 는 주어진 함수이다. (X(t),Y(t))\big(X(t),Y(t)\big) 를 xyxy 평면 위의 곡선(이러한 곡선을 이 편미분방정식의 특성곡선이라고 한다.)이라 하고, 이 곡선이

dXdt(t)=α(X(t),Y(t))dYdt(t)=β(X(t),Y(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}X}{\mathrm{d}t}(t)&=\alpha \big(X(t),Y(t)\big) \\ \frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}t}(t)&=\beta \big(X(t),Y(t)\big) \end{aligned}

을 만족한다고 하자. uu 가 그 곡선을 따라 상수임을 보이세요. 즉, u(X(t),Y(t))u\big(X(t),Y(t)\big) 가 tt 에 무관함을 보이세요.

영어 원문 보기

Suppose that u(x,y)u(x,y) obeys the PDE

α(x,y) ux(x,y)+β(x,y) uy(x,y)=0\alpha (x,y)\,u_x(x,y) +\beta (x,y)\,u_y(x,y)=0

where α(x,y)\alpha (x,y) and β(x,y)\beta (x,y) are given functions. Let (X(t),Y(t))\big(X(t),Y(t)\big) be a curve (Such curves are called characteristics of the PDE.) in the xyxy-plane that obeys

dXdt(t)=α(X(t),Y(t))dYdt(t)=β(X(t),Y(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}X}{\mathrm{d}t}(t)&=\alpha \big(X(t),Y(t)\big) \\ \frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}t}(t)&=\beta \big(X(t),Y(t)\big) \end{aligned}

Show that uu is constant along that curve. That is, show that u(X(t),Y(t))u\big(X(t),Y(t)\big) is independent of tt.

정답·풀이 보기

연쇄 법칙에 의해

ddtu(X(t),Y(t))=ux(X(t),Y(t)) dXdt(t)+uy(X(t),Y(t)) dYdt(t)=α(X(t),Y(t)) ux(X(t),Y(t))+β(X(t),Y(t)) uy(X(t),Y(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}u\big(X(t),Y(t)\big) &=u_x\big(X(t),Y(t)\big)\,\frac{\mathrm{d}X}{\mathrm{d}t}(t) +u_y\big(X(t),Y(t)\big)\,\frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}t}(t) \\ &=\alpha \big(X(t),Y(t)\big)\, u_x\big(X(t),Y(t)\big) +\beta \big(X(t),Y(t)\big)\, u_y\big(X(t),Y(t)\big) \end{aligned}

그런데 α(x,y) ux(x,y)+β(x,y) uy(x,y)=0\alpha (x,y)\,u_x(x,y) +\beta (x,y)\,u_y(x,y)=0 에 x=X(t)x=X(t), y=Y(t)y=Y(t) 를 대입하면

α(X(t),Y(t)) ux(X(t),Y(t))+β(X(t),Y(t)) uy(X(t),Y(t))=0\alpha \big(X(t),Y(t)\big)\, u_x\big(X(t),Y(t)\big) +\beta \big(X(t),Y(t)\big)\, u_y\big(X(t),Y(t)\big) =0

이므로

ddtu(X(t),Y(t))=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}u\big(X(t),Y(t)\big)=0

이다.

원본 교재 풀이(영어)

By the chain rule,

ddtu(X(t),Y(t))=ux(X(t),Y(t)) dXdt(t)+uy(X(t),Y(t)) dYdt(t)=α(X(t),Y(t)) ux(X(t),Y(t))+β(X(t),Y(t)) uy(X(t),Y(t))\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}u\big(X(t),Y(t)\big) &=u_x\big(X(t),Y(t)\big)\,\frac{\mathrm{d}X}{\mathrm{d}t}(t) +u_y\big(X(t),Y(t)\big)\,\frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}t}(t) \\ &=\alpha \big(X(t),Y(t)\big)\, u_x\big(X(t),Y(t)\big) +\beta \big(X(t),Y(t)\big)\, u_y\big(X(t),Y(t)\big) \end{aligned}

But evaluating α(x,y) ux(x,y)+β(x,y) uy(x,y)=0\alpha (x,y)\,u_x(x,y) +\beta (x,y)\,u_y(x,y)=0 at x=X(t)x=X(t), y=Y(t)y=Y(t) gives

α(X(t),Y(t)) ux(X(t),Y(t))+β(X(t),Y(t)) uy(X(t),Y(t))=0\alpha \big(X(t),Y(t)\big)\, u_x\big(X(t),Y(t)\big) +\beta \big(X(t),Y(t)\big)\, u_y\big(X(t),Y(t)\big) =0

so

ddtu(X(t),Y(t))=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}u\big(X(t),Y(t)\big)=0

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.8절 · 11번
# 편미분방정식 맛보기증명·논술도전자동 분류
5.CLP-3 · 2.9절 · 34번대학 수준우리말 번역

(a) 함수 f(x,y)=2x+4y+1xyf(x,y)=2x+4y+\frac{1}{xy} 가 제1사분면 x>0x>0, y>0y>0 에서 임계점을 정확히 하나만 가짐을 보이고, 그 점에서의 함숫값을 구하세요. (b) 이차 도함수 판정법을 이용하여 (a)에서 구한 임계점의 종류를 판별하세요. (c) 이로부터 부등식 2x+4y+1xy≥62x+4y+\frac{1}{xy}\ge 6 이 모든 양의 실수 xx, yy 에 대해 성립하는 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

(a) Show that the function f(x,y)=2x+4y+1xyf(x,y)=2x+4y+\frac{1}{xy} has exactly one critical point in the first quadrant x>0x>0, y>0y>0, and find its value at that point. (b) Use the second derivative test to classify the critical point in part (a). (c) Hence explain why the inequality 2x+4y+1xy≥62x+4y+\frac{1}{xy}\ge 6 is valid for all positive real numbers xx and yy.

정답·풀이 보기

(a) x,y>0x,y>0 에서

fx=2−1x2y=0  ⟺  y=12x2fy=4−1xy2=0\begin{aligned} f_x&=2-\frac{1}{x^2y}=0\iff y=\frac{1}{2x^2}\\ f_y&=4-\frac{1}{xy^2}=0 \end{aligned}

첫째 식에서 얻은 y=12x2y=\frac{1}{2x^2} 을 둘째 식에 대입하면 4−4x3=0 4-4x^3=0 이고, 이로부터 x=1x=1, y=12y=\tfrac{1}{2} 이다. x=1x=1, y=12y=\tfrac{1}{2} 일 때,

f(1,12)=2+2+2=6f\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=2+2+2=6

(b) 이차 도함수는

fxx(x,y)=2x3yfxy(x,y)=1x2y2fyy(x,y)=2xy3f_{xx}(x,y)=\frac{2}{x^3y}\qquad f_{xy}(x,y)=\frac{1}{x^2y^2}\qquad f_{yy}(x,y)=\frac{2}{xy^3}

특히

fxx(1,12)=4fxy(1,12)=4fyy(1,12)=16f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4\qquad f_{xy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4\qquad f_{yy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=16

fxx(1,12)fyy(1,12)−fxy(1,12)2=4×16−42=48>0f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)f_{yy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)- f_{xy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)^2=4\times 16-4^2=48>0 이고 fxx(1,12)=4>0f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4>0 이므로 점 (1,12)\big(1,\tfrac{1}{2}\big) 은 극소이다.

(c) xx 또는 yy 가 무한대로 갈 때(다른 변수는 0 이상일 때), 2x+4y2x+4y 는 +∞+\infty 로 발산한다. (x,y)(x,y) 가 xx축과 yy축 중 제1사분면에 속하는 부분의 어떤 점으로 가까워져도 1xy\frac{1}{xy} 는 +∞+\infty 로 발산한다. 따라서 xx 또는 yy 가 제1사분면의 경계(무한대도 경계에 포함한다)로 가까워지면 f(x,y)f(x,y) 는 +∞+\infty 로 발산한다. 그러므로 (1,12)\big(1,\tfrac{1}{2}\big) 은 제1사분면에서 ff 의 극솟값일 뿐만 아니라 최솟값을 갖는 점이다. 따라서 모든 x,y>0x,y>0 에 대해 f(x,y)≥f(1,12)=6f(x,y)\ge f\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=6 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) For x,y>0x,y>0,

fx=2−1x2y=0  ⟺  y=12x2fy=4−1xy2=0\begin{aligned} f_x&=2-\frac{1}{x^2y}=0\iff y=\frac{1}{2x^2}\\ f_y&=4-\frac{1}{xy^2}=0 \end{aligned}

Substituting y=12x2y=\frac{1}{2x^2}, from the first equation, into the second gives 4−4x3=0 4-4x^3=0 which forces x=1x=1, y=12y=\tfrac{1}{2}. At x=1x=1, y=12y=\tfrac{1}{2},

f(1,12)=2+2+2=6f\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=2+2+2=6

(b) The second derivatives are

fxx(x,y)=2x3yfxy(x,y)=1x2y2fyy(x,y)=2xy3f_{xx}(x,y)=\frac{2}{x^3y}\qquad f_{xy}(x,y)=\frac{1}{x^2y^2}\qquad f_{yy}(x,y)=\frac{2}{xy^3}

In particular

fxx(1,12)=4fxy(1,12)=4fyy(1,12)=16f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4\qquad f_{xy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4\qquad f_{yy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=16

Since fxx(1,12)fyy(1,12)−fxy(1,12)2=4×16−42=48>0f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)f_{yy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)- f_{xy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)^2=4\times 16-4^2=48>0 and fxx(1,12)=4>0f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4>0, the point (1,12)\big(1,\tfrac{1}{2}\big) is a local minimum.

(c) As xx or yy tends to infinity (with the other at least zero), 2x+4y2x+4y tends to +∞+\infty. As (x,y)(x,y) tends to any point on the first quadrant part of the xx- and yy–axes, 1xy\frac{1}{xy} tends to +∞+\infty. Hence as xx or yy tends to the boundary of the first quadrant (counting infinity as part of the boundary), f(x,y)f(x,y) tends to +∞+\infty. As a result (1,12)\big(1,\tfrac{1}{2}\big) is a global (and not just local) minimum for ff in the first quadrant. Hence f(x,y)≥f(1,12)=6f(x,y)\ge f\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=6 for all x,y>0x,y>0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 22번
# 극값과 안장점증명·논술도전자동 분류
6.CLP-3 · 2.10절 · 30번대학 수준우리말 번역

f(x,y)f(x,y) 가 연속인 편도함수를 가진다고 하자. 곡선 xy=1xy=1 위에서 f(x,y)f(x,y) 의 극솟값과 극댓값을 구하는 문제를 생각하자.

  • g(x,y)=xy−1g(x,y) = xy -1 로 정의한다. 라그랑주 승수법에 따르면, (x,y)(x,y) 가 곡선 xy=1xy=1 위에서 f(x,y)f(x,y) 의 극소 또는 극대이면 다음을 만족하는 실수 λ\lambda 가 존재한다.

∇f(x,y)=λ∇g(x,y),g(x,y)=0(E1){ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y) =\lambda { \boldsymbol{\nabla} } g(x,y),\quad g(x,y)=0 \tag{E1}

  • 곡선 xy=1xy=1 위에서 y=1xy=\frac{1}{x} 이고 f(x,y)=f(x,1x)f(x,y) =f\big(x,\frac{1}{x}\big) 이다. F(x)=f(x,1x)F(x)=f\big(x,\frac{1}{x}\big) 로 정의한다. x≠0x\ne 0 에서 F(x)F(x) 가 극소 또는 극대이면 다음이 성립한다.

F′(x)=0(E2)F'(x)=0 \tag{E2}

다음의 의미에서 (E1)과 (E2)가 동치임을 보이세요.

(x,y,λ) 가 (E1)을 만족하는 λ 가 존재한다필요충분조건은x≠0 이 (E2)를 만족하고 y=1/x 인 것이다.\begin{aligned} &\text{$(x,y,\lambda )$ 가 (E1)을 만족하는 $\lambda $ 가 존재한다}\\ &\text{필요충분조건은}\\ &\text{$x\ne 0$ 이 (E2)를 만족하고 $y={1}/{x}$ 인 것이다.} \end{aligned}

영어 원문 보기

Let f(x,y)f(x,y) have continuous partial derivatives. Consider the problem of finding local minima and maxima of f(x,y)f(x,y) on the curve xy=1xy=1.

  • Define g(x,y)=xy−1g(x,y) = xy -1. According to the method of Lagrange multipliers, if (x,y)(x,y) is a local minimum or maximum of f(x,y)f(x,y) on the curve xy=1xy=1, then there is a real number λ\lambda such that

∇f(x,y)=λ∇g(x,y),g(x,y)=0(E1){ \boldsymbol{\nabla} } f(x,y) =\lambda { \boldsymbol{\nabla} } g(x,y),\quad g(x,y)=0 \tag{E1}

  • On the curve xy=1xy=1, we have y=1xy=\frac{1}{x} and f(x,y)=f(x,1x)f(x,y) =f\big(x,\frac{1}{x}\big). Define F(x)=f(x,1x)F(x)=f\big(x,\frac{1}{x}\big). If x≠0x\ne 0 is a local minimum or maximum of F(x)F(x), we have that

F′(x)=0(E2)F'(x)=0 \tag{E2}

Show that (E1) is equivalent to (E2), in the sense that

there is a λ such that (x,y,λ) obeys (E1)if and only ifx≠0 obeys (E2) and y=1/x.\begin{aligned} &\text{there is a $\lambda $ such that $(x,y,\lambda )$ obeys (E1)}\\ &\text{if and only if}\\ &\text{$x\ne 0$ obeys (E2) and $y={1}/{x}$.} \end{aligned}

정답·풀이 보기

(x,y)(x,y) 가 g(x,y)=xy−1=0g(x,y)=xy-1=0 을 만족하면 xx 는 반드시 00 이 아님에 유의한다. 따라서 x≠0x\ne 0 이라고 가정해도 된다. 그러면

(x,y,λ) 가 (E1)을 만족하는 λ 가 존재한다  ⟺  다음을 만족하는 λ 가 존재한다: fx(x,y)=λgx(x,y),fy(x,y)=λgy(x,y),g(x,y)=0  ⟺  다음을 만족하는 λ 가 존재한다: fx(x,y)=λy,fy(x,y)=λx,xy=1  ⟺  다음을 만족하는 λ 가 존재한다: 1yfx(x,y)=1xfy(x,y)=λ,xy=1  ⟺  1yfx(x,y)=1xfy(x,y),xy=1  ⟺  xfx( ⁣x,1x)=1xfy( ⁣x,1x),y=1x  ⟺  F′(x)=ddxf( ⁣x,1x)=fx( ⁣x,1x)−1x2fy( ⁣x,1x)=0,y=1x\begin{aligned} &\text{$(x,y,\lambda )$ 가 (E1)을 만족하는 $\lambda $ 가 존재한다} \\ & \iff \text{다음을 만족하는 $\lambda $ 가 존재한다: } f_x(x,y)=\lambda g_x(x,y),\quad f_y(x,y)=\lambda g_y(x,y),\quad g(x,y)=0 \\ & \iff \text{다음을 만족하는 $\lambda $ 가 존재한다: } f_x(x,y)=\lambda y,\quad f_y(x,y)=\lambda x,\quad xy=1 \\ & \iff \text{다음을 만족하는 $\lambda $ 가 존재한다: } \frac{1}{y}f_x(x,y)= \frac{1}{x} f_y(x,y)=\lambda ,\quad xy=1 \\ & \iff \frac{1}{y}f_x(x,y)= \frac{1}{x} f_y(x,y) ,\quad xy=1 \\ & \iff xf_x\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big)= \frac{1}{x} f_y\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big) ,\quad y=\frac{1}{x} \\ & \iff F'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} f\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big) = f_x\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big) -\frac{1}{x^2}f_y\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big) =0,\quad y=\frac{1}{x} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Note that if (x,y)(x,y) obeys g(x,y)=xy−1=0g(x,y)=xy-1=0, then xx is necessarily nonzero. So we may assume that x≠0x\ne 0. Then

There is a λ such that (x,y,λ) obeys (E1)  ⟺  there is a λ such that fx(x,y)=λgx(x,y),fy(x,y)=λgy(x,y),g(x,y)=0  ⟺  there is a λ such that fx(x,y)=λy,fy(x,y)=λx,xy=1  ⟺  there is a λ such that 1yfx(x,y)=1xfy(x,y)=λ,xy=1  ⟺  1yfx(x,y)=1xfy(x,y),xy=1  ⟺  xfx( ⁣x,1x)=1xfy( ⁣x,1x),y=1x  ⟺  F′(x)=ddxf( ⁣x,1x)=fx( ⁣x,1x)−1x2fy( ⁣x,1x)=0,y=1x\begin{aligned} &\text{There is a $\lambda $ such that $(x,y,\lambda )$ obeys (E1)} \\ & \iff \text{there is a $\lambda $ such that } f_x(x,y)=\lambda g_x(x,y),\quad f_y(x,y)=\lambda g_y(x,y),\quad g(x,y)=0 \\ & \iff \text{there is a $\lambda $ such that } f_x(x,y)=\lambda y,\quad f_y(x,y)=\lambda x,\quad xy=1 \\ & \iff \text{there is a $\lambda $ such that } \frac{1}{y}f_x(x,y)= \frac{1}{x} f_y(x,y)=\lambda ,\quad xy=1 \\ & \iff \frac{1}{y}f_x(x,y)= \frac{1}{x} f_y(x,y) ,\quad xy=1 \\ & \iff xf_x\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big)= \frac{1}{x} f_y\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big) ,\quad y=\frac{1}{x} \\ & \iff F'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} f\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big) = f_x\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big) -\frac{1}{x^2}f_y\Big(\!x,\frac{1}{x}\Big) =0,\quad y=\frac{1}{x} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.8절 · 18번
# 라그랑주 승수법증명·논술도전자동 분류