유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.
735문제 · 37 / 37쪽
721.CLP-3 · 2.9절 · 21번대학 수준우리말 번역
함수
f(x,y)=2x3−6xy+y2+4y
를 생각하세요.
(a) f(x,y) 의 모든 임계점을 구하고 분류하세요.
(b) 꼭짓점이 (1,0), (0,1), (1,1) 인 삼각형 영역에서 f(x,y) 의 최댓값과 최솟값을 구하세요.
영어 원문 보기
Consider the function
f(x,y)=2x3−6xy+y2+4y
(a) Find and classify all of the critical points of f(x,y).
(b) Find the maximum and minimum values of f(x,y) in the
triangle with vertices (1,0), (0,1) and (1,1).
(b)
허용된 영역의 내부에는 임계점이 없으므로 최댓값과 최솟값은 모두 경계에서만 나타난다. 경계는 선분 (i) x=1, 0≤y≤1, (ii) y=1, 0≤x≤1, (iii) y=1−x, 0≤x≤1 로 이루어져 있다.
먼저 경계 중 x=1 인 부분을 살펴보자. 여기서 f=y2−2y+2 이다.
dyd(y2−2y+2)=2y−2 는 y=1 에서만 0 이 되므로,
0≤y≤1 에서 y2−2y+2 의 최댓값과 최솟값은 y=0 일 때(f=2) 또는 y=1 일 때(f=1)에 나타난다.
다음으로 경계 중 y=1 인 부분을 살펴보자. 여기서 f=2x3−6x+5 이다.
dxd(2x3−6x+5)=6x2−6 이므로,
0≤x≤1 에서 2x3−6x+5 의 최댓값과 최솟값은 x=0 일 때(f=5) 또는 x=1 일 때(f=1)에 나타난다.
다음으로 경계 중 y=1−x 인 부분을 살펴보자. 여기서 f=2x3−6x(1−x)+(1−x)2+4(1−x)=2x3+7x2−12x+5 이다.
dxd(2x3+7x2−12x+5)=6x2+14x−12=2(3x2+7x−6)=2(3x−2)(x+3) 이므로,
0≤x≤1 에서 2x3+7x2−12x+5 의 최댓값과 최솟값은 x=0 일 때(f=5), 또는 x=1 일 때(f=2), 또는 x=32 일 때(f=2(278)−6(32)(31)+91+34=2716−36+3+36=2719)에 나타난다.
(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=1, 0≤y≤1, (ii) y=1, 0≤x≤1 and (iii) y=1−x, 0≤x≤1.
First, we look at the part of the boundary with x=1. There f=y2−2y+2.
As dyd(y2−2y+2)=2y−2 vanishes only at y=1,
the max and min of y2−2y+2 for 0≤y≤1 must occur either at y=0,
where f=2, or at y=1, where f=1.
Next, we look at the part of the boundary with y=1. There f=2x3−6x+5.
As dxd(2x3−6x+5)=6x2−6,
the max and min of 2x3−6x+5 for 0≤x≤1 must occur either at x=0,
where f=5, or at x=1, where f=1.
Next, we look at the part of the boundary with y=1−x. There f=2x3−6x(1−x)+(1−x)2+4(1−x)=2x3+7x2−12x+5.
As dxd(2x3+7x2−12x+5)=6x2+14x−12=2(3x2+7x−6)=2(3x−2)(x+3),
the max and min of 2x3+7x2−12x+5 for 0≤x≤1 must occur either at x=0,
where f=5, or at x=1, where f=2, or at x=32, where f=2(278)−6(32)(31)+91+34=2716−36+3+36=2719.
So all together, we have the following candidates for max and min, with the
max and min indicated.
pointvalue of f(1,0)2(1,1)1(0,1)5max(32,31)2719min
(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
금속판이 x축과 x2+y2=4 의 위쪽 절반으로 둘러싸인 반원 모양의 원판이다. 점 (x,y) 에서의 온도는 T(x,y)=ln(1+x2+y2)−y 로 주어진다. 판 위에서 가장 차가운 점을 구하되, 풀이 과정을 자세히 설명하세요. (참고: ln2≈0.693, ln5≈1.609)
영어 원문 보기
A metal plate is in the form of a semi-circular disc bounded
by the x-axis and the upper half of x2+y2=4. The temperature at
the point (x,y) is given by T(x,y)=ln(1+x2+y2)−y. Find the
coldest point on the plate, explaining your steps carefully. (Note:
ln2≈0.693, ln5≈1.609)
정답·풀이 보기
가장 차가운 점은 판의 경계 위에 있거나 판의 내부에 있어야 한다.
경계 중 반원 부분에서는 0≤y≤2 이고
x2+y2=4 이므로 T=ln(1+x2+y2)−y=ln5−y 이다. ln5−y 의 최솟값은 y 가 가능한 한 클 때, 즉 y=2 일 때 나타나며 그 값은 ln5−2≈−0.391 이다.
경계 중 평평한 부분에서는 y=0 이고
−2≤x≤2 이므로 T=ln(1+x2+y2)−y=ln(1+x2) 이다. ln(1+x2) 의 최솟값은 x 가 가능한 한 작을 때, 즉 x=0 일 때 나타나며 그 값은 0 이다.
가장 차가운 점이 판의 내부에 있다면
그 점은 T(x,y) 의 임계점이어야 한다.
Tx(x,y)=1+x2+y22xTy(x,y)=1+x2+y22y−1
이므로 임계점에서는 x=0 이고 1+x2+y22y−1=0 이어야 한다.
이는 x=0 이고 2y−1−y2=0 일 때, 그리고 그때에만 성립한다. 따라서 유일한 임계점은 x=0,y=1 이며, 이때 T=ln2−1≈−0.307 이다.
−0.391<−0.307<0 이므로 가장 낮은 온도는 −0.391 이고 가장 차가운 점은 (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≤2 and
x2+y2=4 so that T=ln(1+x2+y2)−y=ln5−y. The smallest
value of ln5−y is taken when y is as large as possible,
i.e. when y=2, and is ln5−2≈−0.391.
On the flat part of the boundary, y=0 and
−2≤x≤2 so that T=ln(1+x2+y2)−y=ln(1+x2).
The smallest value of ln(1+x2) is taken when x is as small as possible, i.e. when x=0, and is 0.
If the coldest point is in the interior of the plate,
it must be at a critical point of T(x,y). Since
Tx(x,y)=1+x2+y22xTy(x,y)=1+x2+y22y−1
a critical point must have x=0 and 1+x2+y22y−1=0,
which is the case if and only if x=0 and 2y−1−y2=0. So the only
critical point is x=0,y=1, where T=ln2−1≈−0.307.
Since −0.391<−0.307<0, the coldest temperture is −0.391 and the
coldest point is (0,2).
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) x2+y2≤4 로 정의된 원판 D 에서 T(x,y) 의 최댓값과 최솟값을 구하세요.
(b) 개미가 원판 D 위에 산다고 하자. 개미가 처음에 점 (1,1) 에 있다면, 온도를 가능한 한 빠르게 높이려면 어느 방향으로 움직여야 하는지 구하세요.
(c) 개미가 속도 v=⟨−2,−1⟩ 로 움직인다고 하자. 개미가 (1,1) 을 지날 때 온도의 증가율을 구하세요.
(d) 개미가 곡선 y=2−x2 위에만 머물러야 한다고 하자. 개미가 가능한 한 따뜻하기를 원한다면 어디로 가야 하는지 구하세요.
영어 원문 보기
The temperature T(x,y) at a point of the xy–plane is given by
T(x,y)=20−4x2−y2
(a) Find the maximum and minimum values of T(x,y) on the disk D
defined by x2+y2≤4.
(b) Suppose an ant lives on the disk D. If the ant is initially at point
(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⟩.
What is its rate of increase of temperature as it passes through (1,1)?
(d) Suppose the ant is constrained to stay on the curve y=2−x2.
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=4 이다.
원판 내부에서의 절대 최댓값 또는 절대 최솟값은 반드시 극댓값 또는 극솟값이기도 하고, 특이점이 없으므로 h 의 임계점이기도 하다. Tx=−8x, Ty=−2y 이므로 유일한 임계점은 (x,y)=(0,0) 이고, 이때 T=20 이다. 4x2+y2≥0 이므로 T(x,y)=20−4x2−y2≤20 이다. 따라서 T 의 최댓값은 (R2 전체에서도) 20 이다.
x2+y2=4 위의 각 점에서
T(x,y)=20−4x2−y2=20−4x2−(4−x2)=16−3x2
이고 −2≤x≤2 이다. 따라서 x2 이 최대일 때 T 는 최소이다. 그러므로 원판에서 T 의 최솟값은 16−3(±2)2=4 이다.
따라서 종합하면, x2+y2≤4 에서 T(x,y) 의 최댓값과 최솟값은 각각 20 (점 (0,0) 에서), 4 (점 (±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⟩.
이 방향의 단위벡터는 171⟨−4,−1⟩ 이다.
(c) 개미의 (단위 시간당) 온도 증가율은 다음과 같다.
∇T(1,1)⋅⟨−2,−1⟩=⟨−8,−2⟩⋅⟨−2,−1⟩=18
(d) 다음을 최대로 하는 (x,y)=(x,2−x2) 을 구하는 문제이다.
T(x,2−x2)=20−4x2−(2−x2)2=16−x4
16−x4 의 최댓값은 x=0 일 때 16 임이 분명하다. 따라서 개미는 (0,2−02)=(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=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 h.
Since Tx=−8x and Ty=−2y, the only critical point is
(x,y)=(0,0), where T=20. Since 4x2+y2≥0,
we have T(x,y)=20−4x2−y2≤20. So the maximum value
of T (even in R2) is 20.
At each point of x2+y2=4 we have
T(x,y)=20−4x2−y2=20−4x2−(4−x2)=16−3x2
with −2≤x≤2. So T is a minimum when x2 is a maximum.
Thus the minimum value of T on the disk is 16−3(±2)2=4.
So all together, the maximum and minimum values of T(x,y) in x2+y2≤4
are 20 (at (0,0)) and 4 (at (±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⟩.
A unit vector in that direction is 171⟨−4,−1⟩.
(c) The ant's rate f increase of temperature (per unit time) is
∇T(1,1)⋅⟨−2,−1⟩=⟨−8,−2⟩⋅⟨−2,−1⟩=18
(d) We are being asked to find the (x,y)=(x,2−x2) which maximizes
T(x,2−x2)=20−4x2−(2−x2)2=16−x4
The maximum of 16−x4 is obviously 16 at x=0. So the ant should
go to (0,2−02)=(0,2).
(a) 함수
f(x,y)=2x+4y+xy1
가 제1사분면 x>0, y>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+xy1≥6 이
모든 양의 실수 x, y 에 대해 성립하는 이유를 설명하세요.
영어 원문 보기
(a) Show that the function
f(x,y)=2x+4y+xy1
has exactly one critical point in the first quadrant x>0, y>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+xy1≥6
is valid for all positive real numbers x and y.
정답·풀이 보기
(a) x,y>0 에서
fxfy=2−x2y1=0⟺y=2x21=4−xy21=0
첫째 식에서 얻은 y=2x21 을 둘째 식에 대입하면
4−4x3=0
이고, 이로부터 x=1, y=21 이다. x=1, y=21 일 때,
f(1,21)=2+2+2=6
(b) 이차 도함수는
fxx(x,y)=x3y2fxy(x,y)=x2y21fyy(x,y)=xy32
특히
fxx(1,21)=4fxy(1,21)=4fyy(1,21)=16
fxx(1,21)fyy(1,21)−fxy(1,21)2=4×16−42=48>0 이고 fxx(1,21)=4>0 이므로
점 (1,21) 은 극소이다.
(c) x 또는 y 가 무한대로 갈 때(다른 변수는 0 이상일 때),
2x+4y 는 +∞ 로 발산한다. (x,y) 가 x축과 y축 중 제1사분면에 속하는 부분의 어떤 점으로 가까워져도 xy1 는 +∞ 로 발산한다.
따라서 x 또는 y 가 제1사분면의 경계(무한대도 경계에 포함한다)로 가까워지면 f(x,y) 는 +∞ 로 발산한다.
그러므로 (1,21) 은 제1사분면에서 f 의 극솟값일 뿐만 아니라 최솟값을 갖는 점이다. 따라서 모든 x,y>0 에 대해
f(x,y)≥f(1,21)=6 이다.
원본 교재 풀이(영어)
(a) For x,y>0,
fxfy=2−x2y1=0⟺y=2x21=4−xy21=0
Substituting y=2x21, from the first equation, into the second gives
4−4x3=0
which forces x=1, y=21. At x=1, y=21,
f(1,21)=2+2+2=6
(b) The second derivatives are
fxx(x,y)=x3y2fxy(x,y)=x2y21fyy(x,y)=xy32
In particular
fxx(1,21)=4fxy(1,21)=4fyy(1,21)=16
Since fxx(1,21)fyy(1,21)−fxy(1,21)2=4×16−42=48>0 and fxx(1,21)=4>0,
the point (1,21) is a local minimum.
(c) As x or y tends to infinity (with the other at least zero),
2x+4y tends to +∞. As (x,y) tends to any point on the first quadrant part of the x- and y–axes, xy1 tends to +∞.
Hence as x or y tends to the boundary of the first quadrant
(counting infinity as part of the boundary), f(x,y) tends to +∞.
As a result (1,21) is a global (and not just local) minimum
for f in the first quadrant. Hence f(x,y)≥f(1,21)=6
for all x,y>0.
(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.
f(x,y) 가 연속인 편도함수를 가진다고 하자. 곡선 xy=1 위에서 f(x,y) 의 극솟값과 극댓값을 구하는 문제를 생각하자.
g(x,y)=xy−1 로 정의한다.
라그랑주 승수법에 따르면, (x,y) 가 곡선 xy=1 위에서 f(x,y) 의 극소 또는 극대이면 다음을 만족하는 실수 λ 가 존재한다.
∇f(x,y)=λ∇g(x,y),g(x,y)=0(E1)
곡선 xy=1 위에서 y=x1 이고 f(x,y)=f(x,x1) 이다. F(x)=f(x,x1) 로 정의한다. x=0 에서 F(x) 가 극소 또는 극대이면 다음이 성립한다.
F′(x)=0(E2)
다음의 의미에서 (E1)과 (E2)가 동치임을 보이세요.
(x,y,λ)가 (E1)을만족하는λ가존재한다필요충분조건은x=0 이 (E2)를만족하고y=1/x인것이다.
영어 원문 보기
Let f(x,y) have continuous partial derivatives. Consider the problem of
finding local minima and maxima of f(x,y) on the curve xy=1.
Define g(x,y)=xy−1.
According to the method of Lagrange multipliers, if (x,y) is
a local minimum or maximum of f(x,y) on the curve xy=1, then there is a real number λ such that
∇f(x,y)=λ∇g(x,y),g(x,y)=0(E1)
On the curve xy=1, we have
y=x1 and f(x,y)=f(x,x1). Define
F(x)=f(x,x1). If x=0 is a local minimum or maximum of
F(x), we have that
F′(x)=0(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.
정답·풀이 보기
(x,y) 가 g(x,y)=xy−1=0 을 만족하면 x 는 반드시 0 이 아님에 유의한다.
따라서 x=0 이라고 가정해도 된다. 그러면
Note that if (x,y) obeys g(x,y)=xy−1=0, then x is necessarily nonzero.
So we may assume that x=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 y1fx(x,y)=x1fy(x,y)=λ,xy=1⟺y1fx(x,y)=x1fy(x,y),xy=1⟺xfx(x,x1)=x1fy(x,x1),y=x1⟺F′(x)=dxdf(x,x1)=fx(x,x1)−x21fy(x,x1)=0,y=x1