유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
509문제 · 26 / 26쪽
501.CLP-3 · 2.9절 · 23번대학 수준우리말 번역
다음과 같이 두자.
f(x,y)=xy(x+2y−6)
(a) f(x,y) 의 모든 임계점을 구하고, 각각을 분류하세요.
(b) D 를 쌍곡선 xy=4 와 직선 x+2y−6=0 사이에 있는 평면 영역이라 하자. D 에서 f(x,y) 의 최댓값과 최솟값을 구하세요.
영어 원문 보기
Let
f(x,y)=xy(x+2y−6)
(a) Find every critical point of f(x,y) and classify each one.
(b) Let D be the region in the plane between the hyperbola
xy=4 and the line x+2y−6=0. Find the maximum and minimum values of
f(x,y) on D.
임계점은 어느 것도 D 에 속하지 않는다. 따라서 최댓값과 최솟값은 (2,2) 또는 (4,1) 에서 나타나거나, xy=4, 2<x<4 위에서 나타난다(이 경우 F(x)=f(x,x4)=4(x+x8−6) 은 F′(x)=4−x232=0⟺x=±22 를 만족한다). 또는 x+2y=6, 2<x<4 위에서 나타난다(이 경우 f(x,y) 는 항등적으로 영이다). 그러므로 최솟값과 최댓값은 다음 중 한 점에서 나타난다.
fx(x,y)=fy(x,y)=0⟺2y(x+y−3)=0 and x(x+4y−6)=0⟺{y=0 or x+y=3} and {x=0 or x+4y=6}⟺{x=y=0} or {y=0,x+4y=6} or {x+y=3,x=0} or {x+y=3,x+4y=6}⟺(x,y)=(0,0) or (6,0) or (0,3) or (2,1)
Here is a table giving the classification of each of the four critical
points.
(b) Observe that xy=4 and x+2y=6 intersect when x=6−2y and
(6−2y)y=4⟺2y2−6y+4=0⟺2(y−1)(y−2)=0⟺(x,y)=(4,1) or (2,2)
The shaded region in the sketch below is D.
None of the critical points are in D. So the max and min must occur
at either (2,2) or (4,1) or on xy=4, 2<x<4 (in which case
F(x)=f(x,x4)=4(x+x8−6) obeys
F′(x)=4−x232=0⟺x=±22) or on
x+2y=6, 2<x<4 (in which case f(x,y) is identically zero). So the
min and max must occur at one of
gxx(0,−5)gyy(0,−5)−gxy(0,−5)2=2×(−2)−02<0 이므로
이 임계점은 안장점이다.
(b)
극값은 영역의 경계 위에 있거나
영역의 내부에 있어야 한다.
경계 중 반타원 부분에서는 −2≤y≤0 이고
x2+4y2=16 이므로 g=x2−10y−y2=16−10y−5y2=21−5(y+1)2 이다. 이 값은
최솟값 16 (y=0,−2 일 때)과 최댓값 21 (y=−1 일 때)을 가진다.
16−10y−5y2 의 임계점(즉 dyd(16−10y−5y2)=0 을 푼 값)을 확인하고
허용된 구간의 양 끝점(곧 y=0 과 y=−2)을 확인해도
같은 결론에 이를 수 있다.
경계 중 평평한 부분에서는 y=0 이고
−4≤x≤4 이므로 g=x2 이다.
최솟값은 x=0 일 때 0 이고 최댓값은
x=±4 일 때 16 이다.
극값이 판의 내부에 있다면
그 점은 g(x,y) 의 임계점이어야 한다. 유일한 임계점은
주어진 영역 안에 있지 않다.
다음은 극값의 모든 후보를 나타낸 표이다.
(x,y)(0,−2)(±4,0)(±12,−1)(0,0)g(x,y)1616210
표에서 g 의 최솟값은 (0,0) 에서 0 이고
최댓값은 (±23,−1) 에서 21 이다.
gx(x,y)=gy(x,y)=0⟺2x=0 and −10−2y=0⟺(x,y)=(0,−5)
Since gxx(0,−5)gyy(0,−5)−gxy(0,−5)2=2×(−2)−02<0,
the critical point is a saddle point.
(b)
The extrema must be either on the boundary of the region
or in the interior of the region.
On the semi-elliptical part of the boundary −2≤y≤0
and x2+4y2=16 so that g=x2−10y−y2=16−10y−5y2=21−5(y+1)2. This has
a minimum value of 16 (at y=0,−2) and a maximum value of 21 (at y=−1).
You could also come to this conclusion by checking the critical point
of 16−10y−5y2 (i.e. solving dyd(16−10y−5y2)=0)
and checking the end points of the allowed interval (namely y=0 and y=−2).
On the flat part of the boundary y=0 and
−4≤x≤4 so that g=x2.
The smallest value is taken when x=0 and is 0 and the largest value
is taken when x=±4 and is 16.
If an extremum is in the interior of the plate,
it must be at a critical point of g(x,y). The only critical point is
not in the prescribed region.
Here is a table giving all candidates for extrema:
(x,y)(0,−2)(±4,0)(±12,−1)(0,0)g(x,y)1616210
From the table the smallest value of g is 0 at (0,0)
and the largest value is 21 at (±23,−1).
The maximum must be either on the boundary of D or in the interior of D.
On the circular part of the boundary r=2,
0≤θ≤2π (in polar coordinates) so that
f=r2cosθsinθe−r2/2=2sin(2θ)e−2. This has a maximum value
of 2e−2 at θ=4π or x=y=2.
On the two flat parts of the boundary x=0 or y=0 so that f=0.
If the maximum is in the interior of D,
it must be at a critical point of f(x,y). Since
길이가 100 미터인 울타리의 양 끝에서 같은 거리만큼 떨어진 두 곳을 같은 각도로 꺾어서, 이렇게 만들어진 세 선분짜리 울타리를 기존의 벽을 따라 놓아 사다리꼴 모양의 우리를 만들려고 합니다. 이러한 우리의 넓이가 가질 수 있는 최댓값을 구하세요.
영어 원문 보기
Equal angle bends are made at equal distances from the two ends of a
100 metre long fence, so that the resulting three segment fence can be placed
along an existing wall to make an enclosure of trapezoidal shape. What
is the largest possible area for such an enclosure?
답 쓰고 채점
정답·풀이 보기
울타리의 양 끝에서 거리 x 만큼 떨어진 곳을 꺾고, 꺾은 각이 θ 라고 하자.
우리의 개략도는 다음과 같다.
이 우리는 두 변의 길이가 100−2x 와 xsinθ 인 직사각형과, 높이가 xsinθ 이고 밑변의 길이가 xcosθ 인 두 삼각형으로 이루어진다. 따라서 우리의 넓이는 다음과 같다.
여기서 넓이가 최대인 울타리는 sinθ=0 또는 x=0 일 수 없음을 이용했는데, 이 두 경우 중 어느 쪽이든 둘러싼 넓이가 0이 되기 때문이다.
첫 번째 식에서 cosθ=−2x100−4x 이고, 따라서 cos(2θ)=2cos2θ−1=2x2(100−4x)2−1 이다.
이를 두 번째 식에 대입하면 다음을 얻는다.
Suppose that the bends are made a distance x from the ends of the fence
and that the bends are through an angle θ.
Here is a sketch of the enclosure.
It consists of a rectangle, with side lengths 100−2x and
xsinθ, together with two triangles, each of height xsinθ
and base length xcosθ. So the enclosure has area
Here we have used that the fence of maximum area cannot have sinθ=0
or x=0, because in either of these two cases, the area enclosed will be zero.
The first equation forces cosθ=−2x100−4x
and hence cos(2θ)=2cos2θ−1=2x2(100−4x)2−1.
Substituting these into the second equation gives
부피가 V 로 고정되어 있고 뚜껑이 없는 직육면체 상자 중에서 가장 경제적인 모양을 구하세요.
영어 원문 보기
Find the most economical shape of a rectangular box that has
a fixed volume V and that has no top.
정답·풀이 보기
상자의 각 모서리의 길이를 x, y, z 라고 하자.
그림은 다음과 같다.
상자의 부피가 V 이어야 하므로 V=xyz 이어야 한다.
옆면 네 개와 밑면의 넓이 A=xy+2yz+2xz 를 최소로 만들려고 한다.
z=xyV 를 대입하면
AAxAy=xy+2xV+2yV=y−2x2V=x−2y2V
최소가 되려면 Ax=Ay=0 이어야 하며, 이는 yx2=2V,xy2=2V 일 때이다.
따라서 yx2=xy2 이다. V=xyz 가 0이 아니므로 x 와 y 는 어느 쪽도 0이 될 수 없다. 그러므로 x=y=(2V)1/3, z=2−2/3V1/3 이다.
원본 교재 풀이(영어)
Suppose that the box has side lengths x, y and z.
Here is a sketch.
Because the box has to have volume V we need that V=xyz.
We wish to minimize the area A=xy+2yz+2xz of the four sides and bottom.
Substituting in z=xyV,
AAxAy=xy+2xV+2yV=y−2x2V=x−2y2V
To minimize, we want Ax=Ay=0, which is the case when yx2=2V,xy2=2V.
This forces yx2=xy2. Since V=xyz is nonzero, neither x nor y
may be zero. So x=y=(2V)1/3, z=2−2/3V1/3.
(a) 함수 f(x,y)=x2+y2 은 곡선 xy=1 위에서 최댓값 또는 최솟값을 갖나요?
설명하세요.
(b) 곡선 xy=1 위에서 f(x,y) 의 최댓값과 최솟값을 모두 구하세요.
영어 원문 보기
(a) Does the function f(x,y)=x2+y2 have a maximum or a minimum on the curve xy=1?
Explain.
(b) Find all maxima and minima of f(x,y) on the curve xy=1.
정답·풀이 보기
(a)
f(x,y)=x2+y2 은 점 (x,y) 에서 원점까지의 거리의 제곱이다. 곡선 xy=1 위에는 x 또는 y 가 얼마든지 커지는 점이 있으므로 원점으로부터의 거리도 얼마든지 커진다. 따라서 f 는 이 곡선 위에서 최댓값을 갖지 않는다. 반면 f 는 최솟값을 갖는데, 이는 xy=1 위의 점 중 원점에 가장 가까운 점에서 얻어진다.
(b) 곡선 xy=1 위에서 y=x1 이므로 f=x2+x21 이다.
dxd(x2+x21)=2x−x32=x32(x4−1)
이고 곡선 위의 어떤 점도 x=0 이 아니므로, 최솟값은 x=±1 일 때 얻어진다. 따라서 최솟값은 ±(1,1) 에서 나타나며, 이때 f 의 값은 2 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a)
f(x,y)=x2+y2 is the square of the distance from the point (x,y)
to the origin. There are points on the curve xy=1 that have either x or
y arbitrarily large and so whose distance from the origin is arbitrarily
large. So f has no maximum on the curve. On the other hand f will have
a minimum, achieved at the points of xy=1 that are closest to the origin.
(b) On the curve xy=1 we have y=x1 and hence
f=x2+x21. As
dxd(x2+x21)=2x−x32=x32(x4−1)
and as no point of the curve has x=0, the minimum is achieved when x=±1. So the minima are at ±(1,1), where f takes the value 2.