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735문제 · 37 / 37쪽

721.CLP-3 · 2.9절 · 21번대학 수준우리말 번역

함수

f(x,y)=2x3−6xy+y2+4yf(x,y)=2x^3 - 6xy + y^2 +4y

를 생각하세요.

(a) f(x,y)f(x,y) 의 모든 임계점을 구하고 분류하세요. (b) 꼭짓점이 (1,0)(1,0), (0,1)(0,1), (1,1)(1,1) 인 삼각형 영역에서 f(x,y)f(x,y) 의 최댓값과 최솟값을 구하세요.

영어 원문 보기

Consider the function

f(x,y)=2x3−6xy+y2+4yf(x,y)=2x^3 - 6xy + y^2 +4y

(a) Find and classify all of the critical points of f(x,y)f(x,y). (b) Find the maximum and minimum values of f(x,y)f(x,y) in the triangle with vertices (1,0)(1,0), (0,1)(0,1) and (1,1)(1,1).

정답·풀이 보기

(a)

f=2x3−6xy+y2+4yfx=6x2−6yfxx=12xfxy=−6fy=−6x+2y+4fyy=2\begin{aligned} f&=2x^3 - 6xy + y^2 +4y \\ f_x&=6x^2-6y & f_{xx}&=12x\qquad && f_{xy}&= -6\\ f_y&=-6x+2y+4\qquad & f_{yy}&=2 \end{aligned}

이므로 임계점은 다음 식의 해이다.

fx=0fy=0  ⟺  y=x2y−3x+2=0  ⟺  y=x2x2−3x+2=0  ⟺  y=x2x=1 또는 2\begin{aligned} & & &f_x=0\qquad & &f_y=0 \\ &\iff\qquad& &y=x^2\qquad & &y-3x+2=0 \\ &\iff& &y=x^2 & &x^2-3x+2=0 \\ &\iff& &y=x^2 & &x=1\text{ 또는 }2 \end{aligned}

따라서 임계점은 (1,1), (2,4)(1,1),\ (2,4) 의 두 개이다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(1,1)12×2−(−6)2<0안장점(2,4)24×2−(−6)2>024극소\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{종류} \\ \hline (1,1) & 12\times 2-(-6)^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (2,4) & 24\times 2-(-6)^2>0 & 24 & \text{극소} \\ \hline \end{array}

(b) 허용된 영역의 내부에는 임계점이 없으므로 최댓값과 최솟값은 모두 경계에서만 나타난다. 경계는 선분 (i) x=1x=1, 0≤y≤10\le y\le 1, (ii) y=1y=1, 0≤x≤10\le x\le 1, (iii) y=1−xy=1-x, 0≤x≤10\le x\le 1 로 이루어져 있다.

그림

  • 먼저 경계 중 x=1x=1 인 부분을 살펴보자. 여기서 f=y2−2y+2f=y^2-2y+2 이다. ddy(y2−2y+2)=2y−2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}(y^2-2y+2)=2y-2 는 y=1y=1 에서만 00 이 되므로, 0≤y≤10\le y\le 1 에서 y2−2y+2y^2-2y+2 의 최댓값과 최솟값은 y=0y=0 일 때(f=2f=2) 또는 y=1y=1 일 때(f=1f=1)에 나타난다.
  • 다음으로 경계 중 y=1y=1 인 부분을 살펴보자. 여기서 f=2x3−6x+5f=2x^3-6x+5 이다. ddx(2x3−6x+5)=6x2−6\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(2x^3-6x+5)=6x^2-6 이므로, 0≤x≤10\le x\le 1 에서 2x3−6x+52x^3-6x+5 의 최댓값과 최솟값은 x=0x=0 일 때(f=5f=5) 또는 x=1x=1 일 때(f=1f=1)에 나타난다.
  • 다음으로 경계 중 y=1−xy=1-x 인 부분을 살펴보자. 여기서 f=2x3−6x(1−x)+(1−x)2+4(1−x)=2x3+7x2−12x+5f=2x^3-6x(1-x) +(1-x)^2+4(1-x)=2x^3+7x^2-12x+5 이다. ddx(2x3+7x2−12x+5)=6x2+14x−12=2(3x2+7x−6)=2(3x−2)(x+3)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(2x^3+7x^2-12x+5)=6x^2+14x-12 =2\big(3x^2+7x-6\big) =2(3x-2)(x+3) 이므로, 0≤x≤10\le x\le 1 에서 2x3+7x2−12x+52x^3+7x^2-12x+5 의 최댓값과 최솟값은 x=0x=0 일 때(f=5f=5), 또는 x=1x=1 일 때(f=2f=2), 또는 x=23x=\frac{2}{3} 일 때(f=2(827)−6(23)(13)+19+43=16−36+3+3627=1927f=2(\frac{8}{27})-6(\frac{2}{3})(\frac{1}{3})+\frac{1}{9}+\frac{4}{3} =\frac{16-36+3+36}{27} =\frac{19}{27})에 나타난다.

따라서 종합하면 최댓값과 최솟값의 후보는 다음과 같으며, 최댓값과 최솟값을 표시하였다.

점(1,0)(1,1)(0,1)(23,13)함숫값 f2151927최대최소\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline \text{점} & (1,0) & (1,1) & (0,1) & \big(\frac{2}{3},\frac{1}{3}\big) \\ \hline \text{함숫값 }f & 2 & 1 & 5 & \frac{19}{27} \\ \hline & & & \text{최대} & \text{최소} \\ \hline \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

(a) Since

f=2x3−6xy+y2+4yfx=6x2−6yfxx=12xfxy=−6fy=−6x+2y+4fyy=2\begin{aligned} f&=2x^3 - 6xy + y^2 +4y \\ f_x&=6x^2-6y & f_{xx}&=12x\qquad && f_{xy}&= -6\\ f_y&=-6x+2y+4\qquad & f_{yy}&=2 \end{aligned}

the critical points are the solutions of

fx=0fy=0  ⟺  y=x2y−3x+2=0  ⟺  y=x2x2−3x+2=0  ⟺  y=x2x=1 or 2\begin{aligned} & & &f_x=0\qquad & &f_y=0 \\ &\iff\qquad& &y=x^2\qquad & &y-3x+2=0 \\ &\iff& &y=x^2 & &x^2-3x+2=0 \\ &\iff& &y=x^2 & &x=1\text{ or }2 \end{aligned}

So, there are two critical points: (1,1), (2,4)(1,1),\ (2,4).

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(1,1)12×2−(−6)2<0saddle point(2,4)24×2−(−6)2>024local min\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (1,1) & 12\times 2-(-6)^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (2,4) & 24\times 2-(-6)^2>0 & 24 & \text{local min} \\ \hline \end{array}

(b) There are no critical points in the interior of the allowed region, so both the maximum and the minimum occur only on the boundary. The boundary consists of the line segments (i) x=1x=1, 0≤y≤10\le y\le 1, (ii) y=1y=1, 0≤x≤10\le x\le 1 and (iii) y=1−xy=1-x, 0≤x≤10\le x\le 1.

figure

  • First, we look at the part of the boundary with x=1x=1. There f=y2−2y+2f=y^2-2y+2. As ddy(y2−2y+2)=2y−2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}(y^2-2y+2)=2y-2 vanishes only at y=1y=1, the max and min of y2−2y+2y^2-2y+2 for 0≤y≤10\le y\le 1 must occur either at y=0y=0, where f=2f=2, or at y=1y=1, where f=1f=1.
  • Next, we look at the part of the boundary with y=1y=1. There f=2x3−6x+5f=2x^3-6x+5. As ddx(2x3−6x+5)=6x2−6\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(2x^3-6x+5)=6x^2-6, the max and min of 2x3−6x+52x^3-6x+5 for 0≤x≤10\le x\le 1 must occur either at x=0x=0, where f=5f=5, or at x=1x=1, where f=1f=1.
  • Next, we look at the part of the boundary with y=1−xy=1-x. There f=2x3−6x(1−x)+(1−x)2+4(1−x)=2x3+7x2−12x+5f=2x^3-6x(1-x) +(1-x)^2+4(1-x)=2x^3+7x^2-12x+5. As ddx(2x3+7x2−12x+5)=6x2+14x−12=2(3x2+7x−6)=2(3x−2)(x+3)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(2x^3+7x^2-12x+5)=6x^2+14x-12 =2\big(3x^2+7x-6\big) =2(3x-2)(x+3), the max and min of 2x3+7x2−12x+52x^3+7x^2-12x+5 for 0≤x≤10\le x\le 1 must occur either at x=0x=0, where f=5f=5, or at x=1x=1, where f=2f=2, or at x=23x=\frac{2}{3}, where f=2(827)−6(23)(13)+19+43=16−36+3+3627=1927f=2(\frac{8}{27})-6(\frac{2}{3})(\frac{1}{3})+\frac{1}{9}+\frac{4}{3} =\frac{16-36+3+36}{27} =\frac{19}{27}.

So all together, we have the following candidates for max and min, with the max and min indicated.

point(1,0)(1,1)(0,1)(23,13)value of f2151927maxmin\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline \text{point} & (1,0) & (1,1) & (0,1) & \big(\frac{2}{3},\frac{1}{3}\big) \\ \hline \text{value of }f & 2 & 1 & 5 & \frac{19}{27} \\ \hline & & & \text{max} & \text{min} \\ \hline \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 27번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
722.CLP-3 · 2.9절 · 22번대학 수준우리말 번역

함수 f(x,y)=x4+y4−4xy+2f(x,y)=x^4+y^4-4xy+2 의 임계점을 모두 구하고, 각 임계점이 극솟값, 극댓값, 안장점 중 어느 것인지 판단하세요.

영어 원문 보기

Find all critical points of the function f(x,y)=x4+y4−4xy+2f(x,y)=x^4+y^4-4xy+2, and for each determine whether it is a local minimum, maximum or saddle point.

정답·풀이 보기

다음과 같다.

f(x,y)=x4+y4−4xy+2fx(x,y)=4x3−4yfxx(x,y)=12x2fy(x,y)=4y3−4xfyy(x,y)=12y2fxy(x,y)=−4\begin{aligned} f(x,y)&=x^4+y^4-4xy+2\quad & f_x(x,y)&=4x^3-4y\quad & f_{xx}(x,y)&=12x^2 \\ & & f_y(x,y)&=4y^3-4x & f_{yy}(x,y)&=12y^2 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-4 \end{aligned}

임계점에서는

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  y=x3 그리고 x=y3  ⟺  x=x9 그리고 y=x3  ⟺  x(x8−1)=0, y=x3  ⟺  (x,y)=(0,0) 또는 (1,1) 또는 (−1,−1)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff y=x^3\text{ 그리고 }x=y^3 \\ &\iff x=x^9\text{ 그리고 }y=x^3 \\ &\iff x(x^8-1)=0,\ y=x^3 \\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ 또는 }(1,1)\text{ 또는 }(-1,-1) \end{aligned}

세 임계점 각각의 분류를 나타낸 표는 다음과 같다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(0,0)0×0−(−4)2<0안장점(1,1)12×12−(−4)2>012극소(−1,−1)12×12−(−4)2>012극소\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{종류} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-4)^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (1,1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{극소} \\ \hline (-1,-1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{극소} \\ \hline \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

We have

f(x,y)=x4+y4−4xy+2fx(x,y)=4x3−4yfxx(x,y)=12x2fy(x,y)=4y3−4xfyy(x,y)=12y2fxy(x,y)=−4\begin{aligned} f(x,y)&=x^4+y^4-4xy+2\quad & f_x(x,y)&=4x^3-4y\quad & f_{xx}(x,y)&=12x^2 \\ & & f_y(x,y)&=4y^3-4x & f_{yy}(x,y)&=12y^2 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-4 \end{aligned}

At a critical point

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  y=x3 and x=y3  ⟺  x=x9 and y=x3  ⟺  x(x8−1)=0, y=x3  ⟺  (x,y)=(0,0) or (1,1) or (−1,−1)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff y=x^3\text{ and }x=y^3 \\ &\iff x=x^9\text{ and }y=x^3 \\ &\iff x(x^8-1)=0,\ y=x^3 \\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ or }(1,1)\text{ or }(-1,-1) \end{aligned}

Here is a table giving the classification of each of the three critical points.

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(0,0)0×0−(−4)2<0saddle point(1,1)12×12−(−4)2>012local min(−1,−1)12×12−(−4)2>012local min\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-4)^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (1,1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{local min} \\ \hline (-1,-1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{local min} \\ \hline \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 18번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
723.CLP-3 · 2.9절 · 23번대학 수준우리말 번역

다음과 같이 두자.

f(x,y)=xy(x+2y−6)f(x,y)=xy(x+2y-6)

(a) f(x,y)f(x,y) 의 모든 임계점을 구하고, 각각을 분류하세요. (b) DD 를 쌍곡선 xy=4xy=4 와 직선 x+2y−6=0x+2y-6=0 사이에 있는 평면 영역이라 하자. DD 에서 f(x,y)f(x,y) 의 최댓값과 최솟값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let

f(x,y)=xy(x+2y−6)f(x,y)=xy(x+2y-6)

(a) Find every critical point of f(x,y)f(x,y) and classify each one. (b) Let DD be the region in the plane between the hyperbola xy=4xy=4 and the line x+2y−6=0x+2y-6=0. Find the maximum and minimum values of f(x,y)f(x,y) on DD.

정답·풀이 보기

(a) 다음을 얻는다.

f(x,y)=xy(x+2y−6)fx(x,y)=2xy+2y2−6yfxx(x,y)=2yfy(x,y)=x2+4xy−6xfyy(x,y)=4xfxy(x,y)=2x+4y−6\begin{aligned} f(x,y)&=xy(x+2y-6)\quad & f_x(x,y)&=2xy+2y^2-6y\quad & f_{xx}(x,y)&=2y \\ & & f_y(x,y)&=x^2+4xy-6x & f_{yy}(x,y)&=4x\\ & & & &f_{xy}(x,y)&=2x+4y-6 \end{aligned}

임계점에서

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  2y(x+y−3)=0 그리고 x(x+4y−6)=0  ⟺  {y=0 또는 x+y=3} 그리고 {x=0 또는 x+4y=6}  ⟺  {x=y=0} 또는 {y=0, x+4y=6} 또는 {x+y=3, x=0} 또는 {x+y=3, x+4y=6}  ⟺  (x,y)=(0,0) 또는 (6,0) 또는 (0,3) 또는 (2,1)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff 2y(x+y-3)=0\text{ 그리고 }x(x+4y-6)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ 또는 }x+y=3\}\text{ 그리고 }\{x=0\text{ 또는 }x+4y=6\}\\ &\iff \{x=y=0\}\text{ 또는 }\{y=0,\ x+4y=6\}\\ &\text{ 또는 }\{x+y=3,\ x=0\} \text{ 또는 }\{x+y=3,\ x+4y=6\}\\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ 또는 }(6,0)\text{ 또는 }(0,3)\text{ 또는 }(2,1) \end{aligned}

네 임계점 각각의 분류는 다음 표와 같다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(0,0)0×0−(−6)2<0안장점(6,0)0×24−62<0안장점(0,3)6×0−62<0안장점(2,1)2×8−22>02극소점\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{종류} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-6)^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (6,0) & 0\times 24-6^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (0,3) & 6\times 0-6^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (2,1) & 2\times 8-2^2>0 & \text{2} & \text{극소점} \\ \hline \end{array}

(b) xy=4xy=4 와 x+2y=6x+2y=6 은 x=6−2yx=6-2y 이고

(6−2y)y=4  ⟺  2y2−6y+4=0  ⟺  2(y−1)(y−2)=0  ⟺  (x,y)=(4,1) 또는 (2,2)\begin{aligned} (6-2y)y=4 &\iff 2y^2-6y+4=0 \iff 2(y-1)(y-2)=0 \\ &\iff (x,y) = (4,1)\text{ 또는 }(2,2) \end{aligned}

일 때 만난다.

아래 그림에서 색칠한 영역이 DD 이다.

그림

임계점은 어느 것도 DD 에 속하지 않는다. 따라서 최댓값과 최솟값은 (2,2)(2,2) 또는 (4,1)(4,1) 에서 나타나거나, xy=4xy=4, 2<x<42<x<4 위에서 나타난다(이 경우 F(x)=f(x,4x)=4(x+8x−6)F(x)=f\big(x,\frac{4}{x}\big)=4\big(x+\frac{8}{x}-6) 은 F′(x)=4−32x2=0  ⟺  x=±22F'(x)=4-\frac{32}{x^2}=0\iff x=\pm2\sqrt{2} 를 만족한다). 또는 x+2y=6x+2y=6, 2<x<42<x<4 위에서 나타난다(이 경우 f(x,y)f(x,y) 는 항등적으로 영이다). 그러므로 최솟값과 최댓값은 다음 중 한 점에서 나타난다.

(x,y)f(x,y)(2,2)2×2(2+2×2−6)=0(4,1)4×1(4+2×1−6)=0(22,2)4(22+22−6)<0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & f(x,y) \\ \hline (2,2) & 2\times 2(2+2\times2-6)=0 \\ \hline (4,1) & 4\times 1(4+2\times 1-6)=0 \\ \hline (2\sqrt{2},\sqrt{2}) & 4(2\sqrt{2}+2\sqrt{2}-6)<0 \\ \hline \end{array}

최댓값은 00 이고 최솟값은 4(42−6)≈−1.374(4\sqrt{2}-6) \approx -1.37 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We have

f(x,y)=xy(x+2y−6)fx(x,y)=2xy+2y2−6yfxx(x,y)=2yfy(x,y)=x2+4xy−6xfyy(x,y)=4xfxy(x,y)=2x+4y−6\begin{aligned} f(x,y)&=xy(x+2y-6)\quad & f_x(x,y)&=2xy+2y^2-6y\quad & f_{xx}(x,y)&=2y \\ & & f_y(x,y)&=x^2+4xy-6x & f_{yy}(x,y)&=4x\\ & & & &f_{xy}(x,y)&=2x+4y-6 \end{aligned}

At a critical point

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)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff 2y(x+y-3)=0\text{ and }x(x+4y-6)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ or }x+y=3\}\text{ and }\{x=0\text{ or }x+4y=6\}\\ &\iff \{x=y=0\}\text{ or }\{y=0,\ x+4y=6\}\\ &\text{ or }\{x+y=3,\ x=0\} \text{ or }\{x+y=3,\ x+4y=6\}\\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ or }(6,0)\text{ or }(0,3)\text{ or }(2,1) \end{aligned}

Here is a table giving the classification of each of the four critical points.

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(0,0)0×0−(−6)2<0saddle point(6,0)0×24−62<0saddle point(0,3)6×0−62<0saddle point(2,1)2×8−22>02local min\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-6)^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (6,0) & 0\times 24-6^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (0,3) & 6\times 0-6^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (2,1) & 2\times 8-2^2>0 & \text{2} & \text{local min} \\ \hline \end{array}

(b) Observe that xy=4xy=4 and x+2y=6x+2y=6 intersect when x=6−2yx=6-2y and

(6−2y)y=4  ⟺  2y2−6y+4=0  ⟺  2(y−1)(y−2)=0  ⟺  (x,y)=(4,1) or (2,2)\begin{aligned} (6-2y)y=4 &\iff 2y^2-6y+4=0 \iff 2(y-1)(y-2)=0 \\ &\iff (x,y) = (4,1)\text{ or }(2,2) \end{aligned}

The shaded region in the sketch below is DD.

figure

None of the critical points are in DD. So the max and min must occur at either (2,2)(2,2) or (4,1)(4,1) or on xy=4xy=4, 2<x<42<x<4 (in which case F(x)=f(x,4x)=4(x+8x−6)F(x)=f\big(x,\frac{4}{x}\big)=4\big(x+\frac{8}{x}-6) obeys F′(x)=4−32x2=0  ⟺  x=±22F'(x)=4-\frac{32}{x^2}=0\iff x=\pm2\sqrt{2}) or on x+2y=6x+2y=6, 2<x<42<x<4 (in which case f(x,y)f(x,y) is identically zero). So the min and max must occur at one of

(x,y)f(x,y)(2,2)2×2(2+2×2−6)=0(4,1)4×1(4+2×1−6)=0(22,2)4(22+22−6)<0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & f(x,y) \\ \hline (2,2) & 2\times 2(2+2\times2-6)=0 \\ \hline (4,1) & 4\times 1(4+2\times 1-6)=0 \\ \hline (2\sqrt{2},\sqrt{2}) & 4(2\sqrt{2}+2\sqrt{2}-6)<0 \\ \hline \end{array}

The maximum value is 00 and the minimum value is 4(42−6)≈−1.374(4\sqrt{2}-6) \approx -1.37.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 34번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
724.CLP-3 · 2.9절 · 24번대학 수준우리말 번역

함수

f(x,y)=x4+y4−4xyf(x,y)=x^4+y^4-4xy

의 모든 임계점을 xyxy 평면에서 구하세요. 각 임계점이 극솟값, 극댓값, 안장점 중 무엇인지 분류하세요.

영어 원문 보기

Find all the critical points of the function

f(x,y)=x4+y4−4xyf(x,y)=x^4+y^4-4xy

defined in the xyxy-plane. Classify each critical point as a local minimum, maximum or saddle point.

정답·풀이 보기

다음과 같다.

f(x,y)=x4+y4−4xyfx(x,y)=4x3−4yfxx(x,y)=12x2fy(x,y)=4y3−4xfyy(x,y)=12y2fxy(x,y)=−4\begin{aligned} f(x,y)&=x^4+y^4-4xy\qquad & f_x(x,y)&=4x^3-4y\qquad & f_{xx}(x,y)&=12x^2\\ & & f_y(x,y)&=4y^3-4x & f_{yy}(x,y)&=12y^2 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-4 \end{aligned}

임계점에서

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  y=x3 그리고 x=y3  ⟺  x=x9 그리고 y=x3  ⟺  x(x8−1)=0, y=x3  ⟺  (x,y)=(0,0) 또는 (1,1) 또는 (−1,−1)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff y=x^3\text{ 그리고 }x=y^3 \iff x=x^9\text{ 그리고 }y=x^3 \\ &\iff x(x^8-1)=0,\ y=x^3\\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ 또는 }(1,1)\text{ 또는 }(-1,-1) \end{aligned}

세 임계점 각각의 분류를 나타낸 표는 다음과 같다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(0,0)0×0−(−4)2<0안장점(1,1)12×12−(−4)2>012극솟값(−1,−1)12×12−(−4)2>012극솟값\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{종류} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-4)^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (1,1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{극솟값} \\ \hline (-1,-1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{극솟값} \\ \hline \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

We have

f(x,y)=x4+y4−4xyfx(x,y)=4x3−4yfxx(x,y)=12x2fy(x,y)=4y3−4xfyy(x,y)=12y2fxy(x,y)=−4\begin{aligned} f(x,y)&=x^4+y^4-4xy\qquad & f_x(x,y)&=4x^3-4y\qquad & f_{xx}(x,y)&=12x^2\\ & & f_y(x,y)&=4y^3-4x & f_{yy}(x,y)&=12y^2 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-4 \end{aligned}

At a critical point

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  y=x3 and x=y3  ⟺  x=x9 and y=x3  ⟺  x(x8−1)=0, y=x3  ⟺  (x,y)=(0,0) or (1,1) or (−1,−1)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff y=x^3\text{ and }x=y^3 \iff x=x^9\text{ and }y=x^3 \\ &\iff x(x^8-1)=0,\ y=x^3\\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ or }(1,1)\text{ or }(-1,-1) \end{aligned}

Here is a table giving the classification of each of the three critical points.

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(0,0)0×0−(−4)2<0saddle point(1,1)12×12−(−4)2>012local min(−1,−1)12×12−(−4)2>012local min\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-4)^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (1,1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{local min} \\ \hline (-1,-1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{local min} \\ \hline \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 12번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
725.CLP-3 · 2.9절 · 25번대학 수준우리말 번역

금속판이 xx축과 x2+y2=4x^2+y^2=4 의 위쪽 절반으로 둘러싸인 반원 모양의 원판이다. 점 (x,y)(x,y) 에서의 온도는 T(x,y)=ln⁡(1+x2+y2)−yT(x,y)=\ln\big(1+x^2+y^2\big)-y 로 주어진다. 판 위에서 가장 차가운 점을 구하되, 풀이 과정을 자세히 설명하세요. (참고: ln⁡2≈0.693\ln 2\approx 0.693, ln⁡5≈1.609\ln 5\approx 1.609)

영어 원문 보기

A metal plate is in the form of a semi-circular disc bounded by the xx-axis and the upper half of x2+y2=4x^2+y^2=4. The temperature at the point (x,y)(x,y) is given by T(x,y)=ln⁡(1+x2+y2)−yT(x,y)=\ln\big(1+x^2+y^2\big)-y. Find the coldest point on the plate, explaining your steps carefully. (Note: ln⁡2≈0.693\ln 2\approx 0.693, ln⁡5≈1.609\ln 5\approx 1.609)

정답·풀이 보기

가장 차가운 점은 판의 경계 위에 있거나 판의 내부에 있어야 한다.

  • 경계 중 반원 부분에서는 0≤y≤20\le y\le 2 이고 x2+y2=4x^2+y^2=4 이므로 T=ln⁡(1+x2+y2)−y=ln⁡5−yT=\ln\big(1+x^2+y^2\big)-y=\ln 5-y 이다. ln⁡5−y\ln 5-y 의 최솟값은 yy 가 가능한 한 클 때, 즉 y=2y=2 일 때 나타나며 그 값은 ln⁡5−2≈−0.391\ln 5 -2\approx -0.391 이다.
  • 경계 중 평평한 부분에서는 y=0y=0 이고 −2≤x≤2-2\le x\le 2 이므로 T=ln⁡(1+x2+y2)−y=ln⁡(1+x2)T=\ln\big(1+x^2+y^2\big)-y=\ln\big(1+x^2\big) 이다. ln⁡(1+x2)\ln\big(1+x^2\big) 의 최솟값은 xx 가 가능한 한 작을 때, 즉 x=0x=0 일 때 나타나며 그 값은 00 이다.
  • 가장 차가운 점이 판의 내부에 있다면 그 점은 T(x,y)T(x,y) 의 임계점이어야 한다.

Tx(x,y)=2x1+x2+y2Ty(x,y)=2y1+x2+y2−1\begin{aligned} T_x(x,y)=\frac{2x}{1+x^2+y^2}\qquad T_y(x,y)=\frac{2y}{1+x^2+y^2}-1 \end{aligned}

이므로 임계점에서는 x=0x=0 이고 2y1+x2+y2−1=0\frac{2y}{1+x^2+y^2}-1=0 이어야 한다. 이는 x=0x=0 이고 2y−1−y2=02y-1-y^2=0 일 때, 그리고 그때에만 성립한다. 따라서 유일한 임계점은 x=0, y=1x=0,\ y=1 이며, 이때 T=ln⁡2−1≈−0.307T=\ln 2-1\approx -0.307 이다.

−0.391<−0.307<0-0.391<-0.307<0 이므로 가장 낮은 온도는 −0.391-0.391 이고 가장 차가운 점은 (0,2)(0,2) 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The coldest point must be either on the boundary of the plate or in the interior of the plate.

  • On the semi–circular part of the boundary 0≤y≤20\le y\le 2 and x2+y2=4x^2+y^2=4 so that T=ln⁡(1+x2+y2)−y=ln⁡5−yT=\ln\big(1+x^2+y^2\big)-y=\ln 5-y. The smallest value of ln⁡5−y\ln 5-y is taken when yy is as large as possible, i.e. when y=2y=2, and is ln⁡5−2≈−0.391\ln 5 -2\approx -0.391.
  • On the flat part of the boundary, y=0y=0 and −2≤x≤2-2\le x\le 2 so that T=ln⁡(1+x2+y2)−y=ln⁡(1+x2)T=\ln\big(1+x^2+y^2\big)-y=\ln\big(1+x^2\big). The smallest value of ln⁡(1+x2)\ln\big(1+x^2\big) is taken when xx is as small as possible, i.e. when x=0x=0, and is 00.
  • If the coldest point is in the interior of the plate, it must be at a critical point of T(x,y)T(x,y). Since

Tx(x,y)=2x1+x2+y2Ty(x,y)=2y1+x2+y2−1\begin{aligned} T_x(x,y)=\frac{2x}{1+x^2+y^2}\qquad T_y(x,y)=\frac{2y}{1+x^2+y^2}-1 \end{aligned}

a critical point must have x=0x=0 and 2y1+x2+y2−1=0\frac{2y}{1+x^2+y^2}-1=0, which is the case if and only if x=0x=0 and 2y−1−y2=02y-1-y^2=0. So the only critical point is x=0, y=1x=0,\ y=1, where T=ln⁡2−1≈−0.307T=\ln 2-1\approx -0.307.

Since −0.391<−0.307<0-0.391<-0.307<0, the coldest temperture is −0.391-0.391 and the coldest point is (0,2)(0,2).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 24번
# 극값과 안장점활용보통자동 분류
726.CLP-3 · 2.9절 · 26번대학 수준우리말 번역

xyxy 평면에서 정의된 함수

f(x,y)=x3+xy2−xf(x,y)=x^3+xy^2-x

의 임계점을 모두 구하세요. 각 임계점이 극소, 극대, 안장점 중 어느 것인지 분류하세요. 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Find all the critical points of the function

f(x,y)=x3+xy2−xf(x,y)=x^3+xy^2-x

defined in the xyxy-plane. Classify each critical point as a local minimum, maximum or saddle point. Explain your reasoning.

정답·풀이 보기

다음을 얻는다.

f(x,y)=x3+xy2−xfx(x,y)=3x2+y2−1fxx(x,y)=6xfy(x,y)=2xyfyy(x,y)=2xfxy(x,y)=2y\begin{aligned} f(x,y)&=x^3+xy^2-x\qquad & f_x(x,y)&=3x^2+y^2-1\qquad & f_{xx}(x,y)&=6x \\ & & f_y(x,y)&=2xy & f_{yy}(x,y)&=2x \\ & & & & f_{xy}(x,y)&=2y \end{aligned}

임계점에서는

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  xy=0 그리고 3x2+y2=1  ⟺  {x=0 또는 y=0} 그리고 3x2+y2=1  ⟺  (x,y)=(0,1) 또는 (0,−1) 또는 (13,0) 또는 (−13,0)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff xy=0\text{ 그리고 }3x^2+y^2=1 \\ &\iff \{x=0\text{ 또는 }y=0\}\text{ 그리고 }3x^2+y^2=1 \\ &\iff (x,y)=(0,1)\text{ 또는 }(0,-1)\text{ 또는 }\left(\frac{1}{\sqrt{3}},0\right) \text{ 또는 }\left(-\frac{1}{\sqrt{3}},0\right) \end{aligned}

이다. 다음 표는 네 임계점 각각의 분류를 나타낸 것이다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx유형(0,1)0×0−22<0안장점(0,−1)0×0−(−2)2<0안장점(13,0)23×23−02>023극소(−13,0)−23×(−23)−02>0−23극대\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{유형} \\ \hline (0,1) & 0\times 0-2^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (0,-1) & 0\times 0-(-2)^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline \big(\frac{1}{\sqrt{3}},0\big) & 2\sqrt{3}\times\frac{2}{\sqrt{3}}-0^2>0 & 2\sqrt{3} & \text{극소} \\ \hline \big(-\frac{1}{\sqrt{3}},0\big) & -2\sqrt{3}\times \big(-\frac{2}{\sqrt{3}}\big)-0^2>0 & -2\sqrt{3} & \text{극대} \\ \hline \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

We have

f(x,y)=x3+xy2−xfx(x,y)=3x2+y2−1fxx(x,y)=6xfy(x,y)=2xyfyy(x,y)=2xfxy(x,y)=2y\begin{aligned} f(x,y)&=x^3+xy^2-x\qquad & f_x(x,y)&=3x^2+y^2-1\qquad & f_{xx}(x,y)&=6x \\ & & f_y(x,y)&=2xy & f_{yy}(x,y)&=2x \\ & & & & f_{xy}(x,y)&=2y \end{aligned}

At a critical point

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  xy=0 and 3x2+y2=1  ⟺  {x=0 or y=0} and 3x2+y2=1  ⟺  (x,y)=(0,1) or (0,−1) or (13,0) or (−13,0)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff xy=0\text{ and }3x^2+y^2=1 \\ &\iff \{x=0\text{ or }y=0\}\text{ and }3x^2+y^2=1 \\ &\iff (x,y)=(0,1)\text{ or }(0,-1)\text{ or }\left(\frac{1}{\sqrt{3}},0\right) \text{ or }\left(-\frac{1}{\sqrt{3}},0\right) \end{aligned}

Here is a table giving the classification of each of the four critical points.

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(0,1)0×0−22<0saddle point(0,−1)0×0−(−2)2<0saddle point(13,0)23×23−02>023local min(−13,0)−23×(−23)−02>0−23local max\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (0,1) & 0\times 0-2^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (0,-1) & 0\times 0-(-2)^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline \big(\frac{1}{\sqrt{3}},0\big) & 2\sqrt{3}\times\frac{2}{\sqrt{3}}-0^2>0 & 2\sqrt{3} & \text{local min} \\ \hline \big(-\frac{1}{\sqrt{3}},0\big) & -2\sqrt{3}\times \big(-\frac{2}{\sqrt{3}}\big)-0^2>0 & -2\sqrt{3} & \text{local max} \\ \hline \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 14번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
727.CLP-3 · 2.9절 · 27번대학 수준우리말 번역

함수 g(x,y)=x2−10y−y2 g(x,y)=x^2-10y-y^2 을 생각하세요.

(a) gg 의 모든 임계점을 구하고 분류하세요. (b) 다음으로 주어진 유계인 영역에서 gg 의 절대 극값을 구하세요.

x2+4y2≤16, y≤0x^2+4y^2\le 16,\ y\le 0

영어 원문 보기

Consider the function g(x,y)=x2−10y−y2. g(x,y)=x^2-10y-y^2 .

(a) Find and classify all critical points of gg. (b) Find the absolute extrema of gg on the bounded region given by

x2+4y2≤16, y≤0x^2+4y^2\le 16,\ y\le 0

정답·풀이 보기

(a) 다음과 같다.

g(x,y)=x2−10y−y2gx(x,y)=2xgxx(x,y)=2gy(x,y)=−10−2ygyy(x,y)=−2gxy(x,y)=0\begin{aligned} g(x,y)&=x^2-10y-y^2 \qquad& g_x(x,y)&=2x \qquad& g_{xx}(x,y)&=2\\ & & g_y(x,y)&=-10-2y\qquad & g_{yy}(x,y)&=-2 \\ & & & &g_{xy}(x,y)&=0 \end{aligned}

임계점에서

gx(x,y)=gy(x,y)=0  ⟺  2x=0 이고 −10−2y=0  ⟺  (x,y)=(0,−5)\begin{aligned} g_x(x,y)=g_y(x,y)=0 \iff 2x=0\text{ 이고 }-10-2y=0 \iff (x,y)=(0,-5) \end{aligned}

gxx(0,−5)gyy(0,−5)−gxy(0,−5)2=2×(−2)−02<0g_{xx}(0,-5)g_{yy}(0,-5)-g_{xy}(0,-5)^2=2\times(-2)-0^2<0 이므로 이 임계점은 안장점이다.

(b) 극값은 영역의 경계 위에 있거나 영역의 내부에 있어야 한다.

  • 경계 중 반타원 부분에서는 −2≤y≤0-2\le y\le 0 이고 x2+4y2=16x^2+4y^2=16 이므로 g=x2−10y−y2=16−10y−5y2=21−5(y+1)2g=x^2-10y-y^2=16-10y-5y^2=21-5(y+1)^2 이다. 이 값은 최솟값 16 (y=0,−2y=0,-2 일 때)과 최댓값 21 (y=−1y=-1 일 때)을 가진다. 16−10y−5y216-10y-5y^2 의 임계점(즉 ddy(16−10y−5y2)=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}(16-10y-5y^2)=0 을 푼 값)을 확인하고 허용된 구간의 양 끝점(곧 y=0y=0 과 y=−2y=-2)을 확인해도 같은 결론에 이를 수 있다.
  • 경계 중 평평한 부분에서는 y=0y=0 이고 −4≤x≤4-4\le x\le 4 이므로 g=x2g=x^2 이다. 최솟값은 x=0x=0 일 때 00 이고 최댓값은 x=±4x=\pm 4 일 때 1616 이다.
  • 극값이 판의 내부에 있다면 그 점은 g(x,y)g(x,y) 의 임계점이어야 한다. 유일한 임계점은 주어진 영역 안에 있지 않다.

다음은 극값의 모든 후보를 나타낸 표이다.

(x,y)g(x,y)(0,−2)16(±4,0)16(±12,−1)21(0,0)0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (0,-2) & 16 \\ \hline (\pm 4,0) & 16 \\ \hline (\pm \sqrt{12},-1) & 21 \\ \hline (0,0) & 0 \\ \hline \end{array}

표에서 gg 의 최솟값은 (0,0)(0,0) 에서 00 이고 최댓값은 (±23,−1)(\pm 2\sqrt{3},-1) 에서 2121 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We have

g(x,y)=x2−10y−y2gx(x,y)=2xgxx(x,y)=2gy(x,y)=−10−2ygyy(x,y)=−2gxy(x,y)=0\begin{aligned} g(x,y)&=x^2-10y-y^2 \qquad& g_x(x,y)&=2x \qquad& g_{xx}(x,y)&=2\\ & & g_y(x,y)&=-10-2y\qquad & g_{yy}(x,y)&=-2 \\ & & & &g_{xy}(x,y)&=0 \end{aligned}

At a critical point

gx(x,y)=gy(x,y)=0  ⟺  2x=0 and −10−2y=0  ⟺  (x,y)=(0,−5)\begin{aligned} g_x(x,y)=g_y(x,y)=0 \iff 2x=0\text{ and }-10-2y=0 \iff (x,y)=(0,-5) \end{aligned}

Since gxx(0,−5)gyy(0,−5)−gxy(0,−5)2=2×(−2)−02<0g_{xx}(0,-5)g_{yy}(0,-5)-g_{xy}(0,-5)^2=2\times(-2)-0^2<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≤0-2\le y\le 0 and x2+4y2=16x^2+4y^2=16 so that g=x2−10y−y2=16−10y−5y2=21−5(y+1)2g=x^2-10y-y^2=16-10y-5y^2=21-5(y+1)^2. This has a minimum value of 16 (at y=0,−2y=0,-2) and a maximum value of 21 (at y=−1y=-1). You could also come to this conclusion by checking the critical point of 16−10y−5y216-10y-5y^2 (i.e. solving ddy(16−10y−5y2)=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}(16-10y-5y^2)=0) and checking the end points of the allowed interval (namely y=0y=0 and y=−2y=-2).
  • On the flat part of the boundary y=0y=0 and −4≤x≤4-4\le x\le 4 so that g=x2g=x^2. The smallest value is taken when x=0x=0 and is 00 and the largest value is taken when x=±4x=\pm 4 and is 1616.
  • If an extremum is in the interior of the plate, it must be at a critical point of g(x,y)g(x,y). The only critical point is not in the prescribed region.

Here is a table giving all candidates for extrema:

(x,y)g(x,y)(0,−2)16(±4,0)16(±12,−1)21(0,0)0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (0,-2) & 16 \\ \hline (\pm 4,0) & 16 \\ \hline (\pm \sqrt{12},-1) & 21 \\ \hline (0,0) & 0 \\ \hline \end{array}

From the table the smallest value of gg is 00 at (0,0)(0,0) and the largest value is 2121 at (±23,−1)(\pm 2\sqrt{3},-1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 17번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
728.CLP-3 · 2.9절 · 28번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 임계점을 모두 구하고 분류하세요. f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2f(x,y)=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2

영어 원문 보기

Find and classify all critical points of f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2f(x,y)=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2

정답·풀이 보기

다음과 같다.

f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2fx(x,y)=3x2−3y2−6xfxx(x,y)=6x−6fy(x,y)=−6xy−6yfyy(x,y)=−6x−6fxy(x,y)=−6y\begin{aligned} f(x,y)&=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2\qquad & f_x(x,y)&=3x^2-3y^2-6x\qquad & f_{xx}(x,y)&=6x-6 \\ & & f_y(x,y)&=-6xy-6y & f_{yy}(x,y)&=-6x-6 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-6y \end{aligned}

임계점에서

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  3(x2−y2−2x)=0 그리고 −6y(x+1)=0  ⟺  {x=−1 또는 y=0} 그리고 x2−y2−2x=0  ⟺  (x,y)=(−1,3) 또는 (−1,−3) 또는 (0,0) 또는 (2,0)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff 3(x^2-y^2-2x)=0\text{ 그리고 }-6y(x+1)=0 \\ &\iff \{x=-1\text{ 또는 }y=0\}\text{ 그리고 }x^2-y^2-2x=0 \\ &\iff (x,y)=(-1,\sqrt{3})\text{ 또는 }(-1,-\sqrt{3})\text{ 또는 }(0,0) \text{ 또는 }(2,0) \end{aligned}

네 임계점 각각의 분류를 나타낸 표는 다음과 같다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(0,0)(−6)×(−6)−02>0−6극대(2,0)6×(−18)−02<0안장점(−1,3)(−12)×0−(−63)2<0안장점(−1,−3)(−12)×0−(63)2<0안장점\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{종류} \\ \hline (0,0) & (-6)\times(-6)-0^2>0 & -6 & \text{극대} \\ \hline (2,0) & 6\times(-18)-0^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (-1,\sqrt{3}) & (-12)\times0-(-6\sqrt{3})^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (-1,-\sqrt{3}) & (-12)\times 0-(6\sqrt{3})^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

We have

f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2fx(x,y)=3x2−3y2−6xfxx(x,y)=6x−6fy(x,y)=−6xy−6yfyy(x,y)=−6x−6fxy(x,y)=−6y\begin{aligned} f(x,y)&=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2\qquad & f_x(x,y)&=3x^2-3y^2-6x\qquad & f_{xx}(x,y)&=6x-6 \\ & & f_y(x,y)&=-6xy-6y & f_{yy}(x,y)&=-6x-6 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-6y \end{aligned}

At a critical point

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  3(x2−y2−2x)=0 and −6y(x+1)=0  ⟺  {x=−1 or y=0} and x2−y2−2x=0  ⟺  (x,y)=(−1,3) or (−1,−3) or (0,0) or (2,0)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff 3(x^2-y^2-2x)=0\text{ and }-6y(x+1)=0 \\ &\iff \{x=-1\text{ or }y=0\}\text{ and }x^2-y^2-2x=0 \\ &\iff (x,y)=(-1,\sqrt{3})\text{ or }(-1,-\sqrt{3})\text{ or }(0,0) \text{ or }(2,0) \end{aligned}

Here is a table giving the classification of each of the four critical points.

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(0,0)(−6)×(−6)−02>0−6local max(2,0)6×(−18)−02<0saddle point(−1,3)(−12)×0−(−63)2<0saddle point(−1,−3)(−12)×0−(63)2<0saddle point\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (0,0) & (-6)\times(-6)-0^2>0 & -6 & \text{local max} \\ \hline (2,0) & 6\times(-18)-0^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (-1,\sqrt{3}) & (-12)\times0-(-6\sqrt{3})^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (-1,-\sqrt{3}) & (-12)\times 0-(6\sqrt{3})^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 30번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
729.CLP-3 · 2.9절 · 29번대학 수준우리말 번역

사분원 D={ (x,y) ∣ x2+y2≤4, x≥0, y≥0 }D = \big\{ \ (x, y)\ \big|\ x^2 + y^2 \le 4,\ x\ge0,\ y\ge 0\ \big\} 에서

f(x,y)=xye−(x2+y2)/2f(x, y) = xye^{-(x^2 + y^2) / 2}

의 최댓값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the maximum value of

f(x,y)=xye−(x2+y2)/2f(x, y) = xye^{-(x^2 + y^2) / 2}

on the quarter-circle D={ (x,y) ∣ x2+y2≤4, x≥0, y≥0 }D = \big\{ \ (x, y)\ \big|\ x^2 + y^2 \le 4,\ x\ge0,\ y\ge 0\ \big\}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

최댓값은 DD 의 경계 위에 있거나 DD 의 내부에 있어야 한다.

  • 경계 중 원호 부분 r=2r=2 에서는 (극좌표에서) 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2} 이므로 f=r2cos⁡θsin⁡θe−r2/2=2sin⁡(2θ)e−2f=r^2\cos\theta\sin\theta e^{-r^2/2}=2\sin(2\theta)e^{-2} 이다. 이 함수는 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 즉 x=y=2x=y=\sqrt{2} 에서 최댓값 2e−22e^{-2} 을 갖는다.
  • 경계의 평평한 두 부분에서는 x=0x=0 또는 y=0y=0 이므로 f=0f=0 이다.
  • 최댓값이 DD 의 내부에 있다면 그 점은 f(x,y)f(x,y) 의 임계점이어야 한다.

fx(x,y)=e−(x2+y2)/2[y−x2y]fy(x,y)=e−(x2+y2)/2[x−xy2]\begin{aligned} f_x(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[y-x^2y\big]\qquad f_y(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[x-xy^2\big] \end{aligned}

이므로, (x,y)(x,y) 가 임계점일 필요충분조건은

y(1−x2)=0 그리고 x(1−y2)=0  ⟺  {y=0 또는 x=1 또는 x=−1} 그리고 {x=0 또는 y=1 또는 y=−1}\begin{aligned} &y(1-x^2)=0\text{ 그리고 }x(1-y^2)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ 또는 }x=1\text{ 또는 }x=-1\}\text{ 그리고 } \{x=0\text{ 또는 }y=1\text{ 또는 }y=-1\} \end{aligned}

이다. x,y≥0x,y\ge 0 인 임계점은 (0,0)(0,0) 과 (1,1)(1,1) 의 두 개이다. 이 중 앞의 것은 DD 의 경계 위에 있고 뒤의 것은 DD 의 내부에 있다.

다음은 최댓값의 모든 후보를 나타낸 표이다.

(x,y)g(x,y)(2,2)2e−2≈0.271(x,0)0(0,y)0(1,1)e−1≈0.368\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (\sqrt{2},\sqrt{2}) & 2e^{-2}\approx0.271 \\ \hline (x,0) & 0 \\ \hline (0,y) & 0 \\ \hline (1,1) & e^{-1}\approx0.368 \\ \hline \end{array}

e>2e>2 이므로 2e−2=e−12e<e−12e^{-2}=e^{-1}\frac{2}{e}<e^{-1} 이고, 따라서 가장 큰 값은 e−1e^{-1} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The maximum must be either on the boundary of DD or in the interior of DD.

  • On the circular part of the boundary r=2r=2, 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2} (in polar coordinates) so that f=r2cos⁡θsin⁡θe−r2/2=2sin⁡(2θ)e−2f=r^2\cos\theta\sin\theta e^{-r^2/2}=2\sin(2\theta)e^{-2}. This has a maximum value of 2e−22e^{-2} at θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} or x=y=2x=y=\sqrt{2}.
  • On the two flat parts of the boundary x=0x=0 or y=0y=0 so that f=0f=0.
  • If the maximum is in the interior of DD, it must be at a critical point of f(x,y)f(x,y). Since

fx(x,y)=e−(x2+y2)/2[y−x2y]fy(x,y)=e−(x2+y2)/2[x−xy2]\begin{aligned} f_x(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[y-x^2y\big]\qquad f_y(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[x-xy^2\big] \end{aligned}

(x,y)(x,y) is a critical point if and only if

y(1−x2)=0 and x(1−y2)=0  ⟺  {y=0 or x=1 or x=−1} and {x=0 or y=1 or y=−1}\begin{aligned} &y(1-x^2)=0\text{ and }x(1-y^2)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ or }x=1\text{ or }x=-1\}\text{ and } \{x=0\text{ or }y=1\text{ or }y=-1\} \end{aligned}

There are two critical points with x,y≥0x,y\ge 0, namely (0,0)(0,0) and (1,1)(1,1). The first of these is on the boundary of DD and the second is in the interior of DD.

Here is a table giving all candidates for the maximum:

(x,y)g(x,y)(2,2)2e−2≈0.271(x,0)0(0,y)0(1,1)e−1≈0.368\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (\sqrt{2},\sqrt{2}) & 2e^{-2}\approx0.271 \\ \hline (x,0) & 0 \\ \hline (0,y) & 0 \\ \hline (1,1) & e^{-1}\approx0.368 \\ \hline \end{array}

Since e>2e>2, we have that 2e−2=e−12e<e−12e^{-2}=e^{-1}\frac{2}{e}<e^{-1} and the largest value is e−1e^{-1}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 28번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
730.CLP-3 · 2.9절 · 30번대학 수준우리말 번역

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 xx 만큼 떨어진 곳을 꺾고, 꺾은 각이 θ\theta 라고 하자. 우리의 개략도는 다음과 같다.

그림

이 우리는 두 변의 길이가 100−2x100-2x 와 xsin⁡θx\sin\theta 인 직사각형과, 높이가 xsin⁡θx\sin\theta 이고 밑변의 길이가 xcos⁡θx\cos\theta 인 두 삼각형으로 이루어진다. 따라서 우리의 넓이는 다음과 같다.

A(x,θ)=(100−2x)xsin⁡θ+2⋅12⋅xsin⁡θ⋅xcos⁡θ=(100x−2x2)sin⁡θ+12x2sin⁡(2θ)\begin{aligned} A(x,\theta)&=(100-2x)x\sin\theta+2\cdot\tfrac{1}{2}\cdot x\sin\theta\cdot x\cos\theta\\ &=(100x-2x^2)\sin\theta+\tfrac{1}{2} x^2\sin(2\theta) \end{aligned}

넓이를 최대로 하려면 다음을 풀어야 한다.

0=Ax=(100−4x)sin⁡θ+xsin⁡(2θ)  ⟹  (100−4x)+2xcos⁡θ=00=Aθ=(100x−2x2)cos⁡θ+x2cos⁡(2θ)  ⟹  (100−2x)cos⁡θ+xcos⁡(2θ)=0\begin{aligned} 0=A_x&=(100-4x)\sin\theta+x\sin(2\theta) & &\implies & (100-4x)+2x\cos\theta&=0\\ 0=A_\theta&=(100x-2x^2)\cos\theta+x^2\cos(2\theta)\quad & &\implies\quad & (100-2x)\cos\theta+x\cos(2\theta)&=0 \end{aligned}

여기서 넓이가 최대인 울타리는 sin⁡θ=0\sin\theta=0 또는 x=0x=0 일 수 없음을 이용했는데, 이 두 경우 중 어느 쪽이든 둘러싼 넓이가 0이 되기 때문이다. 첫 번째 식에서 cos⁡θ=−100−4x2x\cos\theta=-\frac{100-4x}{2x} 이고, 따라서 cos⁡(2θ)=2cos⁡2θ−1=(100−4x)22x2−1\cos(2\theta)=2\cos^2\theta-1=\frac{(100-4x)^2}{2x^2}-1 이다. 이를 두 번째 식에 대입하면 다음을 얻는다.

−(100−2x)100−4x2x+x[(100−4x)22x2−1]=0  ⟹  −(100−2x)(100−4x)+(100−4x)2−2x2=0  ⟹  6x2−200x=0  ⟹  x=1003cos⁡θ=−−100/3200/3=12θ=60∘A=(1001003−2100232)32+1210023232=25003\begin{aligned} & & -(100-2x)\frac{100-4x}{2x}+x\Big[\frac{(100-4x)^2}{2x^2}-1\Big]&=0 \\ &\implies & -(100-2x)(100-4x)+(100-4x)^2-2x^2&=0 \\ &\implies & 6x^2-200x&=0 \\ &\implies & x=\frac{100}{3} \quad\cos\theta=-\frac{-100/3}{200/3}=\frac{1}{2}\quad \theta&=60^\circ\\ & & A= \left(100\frac{100}{3}-2\frac{100^2}{3^2}\right) \frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{1}{2} \frac{100^2}{3^2}\frac{\sqrt{3}}{2} &=\frac{2500}{\sqrt{3}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that the bends are made a distance xx from the ends of the fence and that the bends are through an angle θ\theta. Here is a sketch of the enclosure.

figure

It consists of a rectangle, with side lengths 100−2x100-2x and xsin⁡θx\sin\theta, together with two triangles, each of height xsin⁡θx\sin\theta and base length xcos⁡θx\cos\theta. So the enclosure has area

A(x,θ)=(100−2x)xsin⁡θ+2⋅12⋅xsin⁡θ⋅xcos⁡θ=(100x−2x2)sin⁡θ+12x2sin⁡(2θ)\begin{aligned} A(x,\theta)&=(100-2x)x\sin\theta+2\cdot\tfrac{1}{2}\cdot x\sin\theta\cdot x\cos\theta\\ &=(100x-2x^2)\sin\theta+\tfrac{1}{2} x^2\sin(2\theta) \end{aligned}

The maximize the area, we need to solve

0=Ax=(100−4x)sin⁡θ+xsin⁡(2θ)  ⟹  (100−4x)+2xcos⁡θ=00=Aθ=(100x−2x2)cos⁡θ+x2cos⁡(2θ)  ⟹  (100−2x)cos⁡θ+xcos⁡(2θ)=0\begin{aligned} 0=A_x&=(100-4x)\sin\theta+x\sin(2\theta) & &\implies & (100-4x)+2x\cos\theta&=0\\ 0=A_\theta&=(100x-2x^2)\cos\theta+x^2\cos(2\theta)\quad & &\implies\quad & (100-2x)\cos\theta+x\cos(2\theta)&=0 \end{aligned}

Here we have used that the fence of maximum area cannot have sin⁡θ=0\sin\theta=0 or x=0x=0, because in either of these two cases, the area enclosed will be zero. The first equation forces cos⁡θ=−100−4x2x\cos\theta=-\frac{100-4x}{2x} and hence cos⁡(2θ)=2cos⁡2θ−1=(100−4x)22x2−1\cos(2\theta)=2\cos^2\theta-1=\frac{(100-4x)^2}{2x^2}-1. Substituting these into the second equation gives

−(100−2x)100−4x2x+x[(100−4x)22x2−1]=0  ⟹  −(100−2x)(100−4x)+(100−4x)2−2x2=0  ⟹  6x2−200x=0  ⟹  x=1003cos⁡θ=−−100/3200/3=12θ=60∘A=(1001003−2100232)32+1210023232=25003\begin{aligned} & & -(100-2x)\frac{100-4x}{2x}+x\Big[\frac{(100-4x)^2}{2x^2}-1\Big]&=0 \\ &\implies & -(100-2x)(100-4x)+(100-4x)^2-2x^2&=0 \\ &\implies & 6x^2-200x&=0 \\ &\implies & x=\frac{100}{3} \quad\cos\theta=-\frac{-100/3}{200/3}=\frac{1}{2}\quad \theta&=60^\circ\\ & & A= \left(100\frac{100}{3}-2\frac{100^2}{3^2}\right) \frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{1}{2} \frac{100^2}{3^2}\frac{\sqrt{3}}{2} &=\frac{2500}{\sqrt{3}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 31번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
731.CLP-3 · 2.9절 · 31번대학 수준우리말 번역

부피가 VV 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 VV and that has no top.

정답·풀이 보기

상자의 각 모서리의 길이를 xx, yy, zz 라고 하자. 그림은 다음과 같다.

그림

상자의 부피가 VV 이어야 하므로 V=xyzV=xyz 이어야 한다. 옆면 네 개와 밑면의 넓이 A=xy+2yz+2xzA=xy+2yz+2xz 를 최소로 만들려고 한다. z=Vxyz=\frac{V}{xy} 를 대입하면

A=xy+2Vx+2VyAx=y−2Vx2Ay=x−2Vy2\begin{aligned} A&=xy+2\frac{V}{x}+2\frac{V}{y}\\ A_x&=y-2\frac{V}{x^2}\\ A_y&=x-2\frac{V}{y^2} \end{aligned}

최소가 되려면 Ax=Ay=0A_x=A_y=0 이어야 하며, 이는 yx2=2V, xy2=2Vyx^2=2V,\ xy^2=2V 일 때이다. 따라서 yx2=xy2yx^2=xy^2 이다. V=xyzV=xyz 가 0이 아니므로 xx 와 yy 는 어느 쪽도 0이 될 수 없다. 그러므로 x=y=(2V)1/3x=y=(2V)^{1/3}, z=2−2/3V1/3z=2^{-2/3}V^{1/3} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that the box has side lengths xx, yy and zz. Here is a sketch.

figure

Because the box has to have volume VV we need that V=xyzV=xyz. We wish to minimize the area A=xy+2yz+2xzA=xy+2yz+2xz of the four sides and bottom. Substituting in z=Vxyz=\frac{V}{xy},

A=xy+2Vx+2VyAx=y−2Vx2Ay=x−2Vy2\begin{aligned} A&=xy+2\frac{V}{x}+2\frac{V}{y}\\ A_x&=y-2\frac{V}{x^2}\\ A_y&=x-2\frac{V}{y^2} \end{aligned}

To minimize, we want Ax=Ay=0A_x=A_y=0, which is the case when yx2=2V, xy2=2Vyx^2=2V,\ xy^2=2V. This forces yx2=xy2yx^2=xy^2. Since V=xyzV=xyz is nonzero, neither xx nor yy may be zero. So x=y=(2V)1/3x=y=(2V)^{1/3}, z=2−2/3V1/3z=2^{-2/3}V^{1/3}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 32번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
732.CLP-3 · 2.9절 · 32번대학 수준우리말 번역

xyxy 평면 위의 한 점에서의 온도 T(x,y)T(x,y) 가 다음과 같이 주어져 있다.

T(x,y)=20−4x2−y2T(x,y) = 20 - 4x^2 - y^2

(a) x2+y2≤4x^2 + y^2 \le 4 로 정의된 원판 DD 에서 T(x,y)T(x,y) 의 최댓값과 최솟값을 구하세요. (b) 개미가 원판 DD 위에 산다고 하자. 개미가 처음에 점 (1,1)(1, 1) 에 있다면, 온도를 가능한 한 빠르게 높이려면 어느 방향으로 움직여야 하는지 구하세요. (c) 개미가 속도 v=<−2,−1>\mathbf{v} = \left< -2, -1\right> 로 움직인다고 하자. 개미가 (1,1)(1, 1) 을 지날 때 온도의 증가율을 구하세요. (d) 개미가 곡선 y=2−x2y = 2 - x^2 위에만 머물러야 한다고 하자. 개미가 가능한 한 따뜻하기를 원한다면 어디로 가야 하는지 구하세요.

영어 원문 보기

The temperature T(x,y)T(x,y) at a point of the xyxy–plane is given by

T(x,y)=20−4x2−y2T(x,y) = 20 - 4x^2 - y^2

(a) Find the maximum and minimum values of T(x,y)T(x,y) on the disk DD defined by x2+y2≤4x^2 + y^2 \le 4. (b) Suppose an ant lives on the disk DD. If the ant is initially at point (1,1)(1, 1), in which direction should it move so as to increase its temperature as quickly as possible? (c) Suppose that the ant moves at a velocity v=<−2,−1>\mathbf{v} = \left< -2, -1\right>. What is its rate of increase of temperature as it passes through (1,1)(1, 1)? (d) Suppose the ant is constrained to stay on the curve y=2−x2y = 2 - x^2. Where should the ant go if it wants to be as warm as possible?

정답·풀이 보기

(a) 최댓값과 최솟값은 원판의 내부 또는 원판의 경계에서 나타날 수 있다. 원판의 경계는 원 x2+y2=4x^2+y^2=4 이다.

  • 원판 내부에서의 절대 최댓값 또는 절대 최솟값은 반드시 극댓값 또는 극솟값이기도 하고, 특이점이 없으므로 hh 의 임계점이기도 하다. Tx=−8xT_x=-8x, Ty=−2yT_y=-2y 이므로 유일한 임계점은 (x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0) 이고, 이때 T=20T=20 이다. 4x2+y2≥04x^2+y^2\ge 0 이므로 T(x,y)=20−4x2−y2≤20T(x,y)=20-4x^2-y^2\le 20 이다. 따라서 TT 의 최댓값은 (R2\mathbb{R}^2 전체에서도) 2020 이다.
  • x2+y2=4x^2+y^2=4 위의 각 점에서 T(x,y)=20−4x2−y2=20−4x2−(4−x2)=16−3x2T(x,y)=20-4x^2-y^2=20 -4x^2-(4-x^2)=16-3x^2 이고 −2≤x≤2-2\le x\le 2 이다. 따라서 x2x^2 이 최대일 때 TT 는 최소이다. 그러므로 원판에서 TT 의 최솟값은 16−3(±2)2=416-3(\pm 2)^2=4 이다.

따라서 종합하면, x2+y2≤4x^2+y^2\le 4 에서 T(x,y)T(x,y) 의 최댓값과 최솟값은 각각 2020 (점 (0,0)(0,0) 에서), 44 (점 (±2,0)(\pm 2,0) 에서)이다.

(b) 온도를 가능한 한 빠르게 높이려면 개미는 온도의 기울기 벡터 방향으로 움직여야 한다. ∇T(1,1)=<−8x,−2y>∣(x,y)=(1,1)=<−8,−2>{ \boldsymbol{\nabla} } T(1,1)=\left< -8x,-2y\right>\Big|_{(x,y)=(1,1)}=\left< -8,-2\right>. 이 방향의 단위벡터는 117<−4,−1>\frac{1}{\sqrt{17}}\left< -4,-1\right> 이다.

(c) 개미의 (단위 시간당) 온도 증가율은 다음과 같다.

∇T(1,1)⋅<−2,−1>=<−8,−2>⋅<−2,−1>=18\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(1,1)\cdot\left< -2,-1\right> =\left< -8,-2\right>\cdot\left< -2,-1\right> =18 \end{aligned}

(d) 다음을 최대로 하는 (x,y)=(x,2−x2)(x,y)=(x,2-x^2) 을 구하는 문제이다.

T(x,2−x2)=20−4x2−(2−x2)2=16−x4\begin{aligned} T\big(x,2-x^2\big) =20 -4x^2-\big(2-x^2\big)^2 = 16-x^4 \end{aligned}

16−x416-x^4 의 최댓값은 x=0x=0 일 때 1616 임이 분명하다. 따라서 개미는 (0,2−02)=(0,2)\big(0,2-0^2\big)=(0,2) 로 가야 한다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) The maximum and minimum can occur either in the interior of the disk or on the boundary of the disk. The boundary of the disk is the circle x2+y2=4x^2+y^2=4.

  • Any absolute max or min in the interior of the disk must also be a local max or min and, since there are no singular points, must also be a critical point of hh. Since Tx=−8xT_x=-8x and Ty=−2yT_y=-2y, the only critical point is (x,y)=(0,0)(x,y)=(0,0), where T=20T=20. Since 4x2+y2≥04x^2+y^2\ge 0, we have T(x,y)=20−4x2−y2≤20T(x,y)=20-4x^2-y^2\le 20. So the maximum value of TT (even in R2\mathbb{R}^2) is 2020.
  • At each point of x2+y2=4x^2+y^2=4 we have T(x,y)=20−4x2−y2=20−4x2−(4−x2)=16−3x2T(x,y)=20-4x^2-y^2=20 -4x^2-(4-x^2)=16-3x^2 with −2≤x≤2-2\le x\le 2. So TT is a minimum when x2x^2 is a maximum. Thus the minimum value of TT on the disk is 16−3(±2)2=416-3(\pm 2)^2=4.

So all together, the maximum and minimum values of T(x,y)T(x,y) in x2+y2≤4x^2+y^2\le 4 are 2020 (at (0,0)(0,0)) and 44 (at (±2,0)(\pm 2,0)), respectively.

(b) To increase its temperature as quickly as possible, the ant should move in the direction of the temperature gradient ∇T(1,1)=<−8x,−2y>∣(x,y)=(1,1)=<−8,−2>{ \boldsymbol{\nabla} } T(1,1)=\left< -8x,-2y\right>\Big|_{(x,y)=(1,1)}=\left< -8,-2\right>. A unit vector in that direction is 117<−4,−1>\frac{1}{\sqrt{17}}\left< -4,-1\right>.

(c) The ant's rate f increase of temperature (per unit time) is

∇T(1,1)⋅<−2,−1>=<−8,−2>⋅<−2,−1>=18\begin{aligned} { \boldsymbol{\nabla} } T(1,1)\cdot\left< -2,-1\right> =\left< -8,-2\right>\cdot\left< -2,-1\right> =18 \end{aligned}

(d) We are being asked to find the (x,y)=(x,2−x2)(x,y)=(x,2-x^2) which maximizes

T(x,2−x2)=20−4x2−(2−x2)2=16−x4\begin{aligned} T\big(x,2-x^2\big) =20 -4x^2-\big(2-x^2\big)^2 = 16-x^4 \end{aligned}

The maximum of 16−x416-x^4 is obviously 1616 at x=0x=0. So the ant should go to (0,2−02)=(0,2)\big(0,2-0^2\big)=(0,2).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.7절 · 8번
# 극값과 안장점활용도전자동 분류
733.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
734.CLP-3 · 2.10절 · 1번대학 수준우리말 번역

(a) 함수 f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 +y^2 은 곡선 xy=1xy = 1 위에서 최댓값 또는 최솟값을 갖나요? 설명하세요. (b) 곡선 xy=1xy = 1 위에서 f(x,y)f(x, y) 의 최댓값과 최솟값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

(a) Does the function f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 +y^2 have a maximum or a minimum on the curve xy=1xy = 1? Explain. (b) Find all maxima and minima of f(x,y)f(x, y) on the curve xy=1xy = 1.

정답·풀이 보기

(a) f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 +y^2 은 점 (x,y)(x,y) 에서 원점까지의 거리의 제곱이다. 곡선 xy=1xy=1 위에는 xx 또는 yy 가 얼마든지 커지는 점이 있으므로 원점으로부터의 거리도 얼마든지 커진다. 따라서 ff 는 이 곡선 위에서 최댓값을 갖지 않는다. 반면 ff 는 최솟값을 갖는데, 이는 xy=1xy=1 위의 점 중 원점에 가장 가까운 점에서 얻어진다.

(b) 곡선 xy=1xy=1 위에서 y=1xy=\frac{1}{x} 이므로 f=x2+1x2f=x^2+\frac{1}{x^2} 이다.

ddx(x2+1x2)=2x−2x3=2x3(x4−1)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^2+\frac{1}{x^2}\right) =2x-\frac{2}{x^3} =\frac{2}{x^3}(x^4-1) \end{aligned}

이고 곡선 위의 어떤 점도 x=0x=0 이 아니므로, 최솟값은 x=±1x=\pm 1 일 때 얻어진다. 따라서 최솟값은 ±(1,1)\pm (1,1) 에서 나타나며, 이때 ff 의 값은 22 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) f(x,y)=x2+y2f(x, y) = x^2 +y^2 is the square of the distance from the point (x,y)(x,y) to the origin. There are points on the curve xy=1xy=1 that have either xx or yy arbitrarily large and so whose distance from the origin is arbitrarily large. So ff has no maximum on the curve. On the other hand ff will have a minimum, achieved at the points of xy=1xy=1 that are closest to the origin.

(b) On the curve xy=1xy=1 we have y=1xy=\frac{1}{x} and hence f=x2+1x2f=x^2+\frac{1}{x^2}. As

ddx(x2+1x2)=2x−2x3=2x3(x4−1)\begin{aligned} \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^2+\frac{1}{x^2}\right) =2x-\frac{2}{x^3} =\frac{2}{x^3}(x^4-1) \end{aligned}

and as no point of the curve has x=0x=0, the minimum is achieved when x=±1x=\pm 1. So the minima are at ±(1,1)\pm (1,1), where ff takes the value 22.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.8절 · 34번
# 라그랑주 승수법계산기본자동 분류
735.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