문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

극값과 안장점

임계점을 찾고 이계도함수 판정법으로 극대·극소·안장점을 가린다

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

3문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-3 · 2.9절 · 1번대학 수준우리말 번역

(a) 함수 f(x,y)f(x,y) 의 등위곡선 몇 개가 아래 xyxy–평면에 그려져 있다.

그림

아래 네 가지 진술 각각에 대해, 그 상황이 적용되는 점을 그림에서 모두 찾아 그 글자에 동그라미를 치세요. 예를 들어 진술이 "이 점들은 yy–축 위에 있다"라면 PP 와 UU 에 동그라미를 치고 나머지 글자에는 치지 않는다. 점 TT 에서 극댓값이 생긴다고 가정해도 됩니다.

(i) ∇f 가 영벡터이다P Q R S T U(ii)  f 가 안장점을 갖는다P Q R S T U(iii)  편도함수 fy 가 양수이다P Q R S T U(iv)  f 의 방향 <0,−1> 으로의 방향도함수가P Q R S T U 음수이다\begin{aligned} \text{(i) }& { \boldsymbol{\nabla} } f\text{ 가 영벡터이다} & &\text{P Q R S T U} \\ \text{(ii) }& \text{ $f$ 가 안장점을 갖는다} & &\text{P Q R S T U} \\ \text{(iii) }& \text{ 편도함수 $f_y$ 가 양수이다} & &\text{P Q R S T U} \\ \text{(iv) }& \text{ $f$ 의 방향 $\left< 0,-1\right>$ 으로의 방향도함수가} & &\text{P Q R S T U} \\[-0.07in] & \text{ 음수이다} & & \end{aligned} (b) 아래 그림은 xzxz–축 위에 그린 그래프 z=F(x,y)z=F(x,y) 의 세 개의 "yy 단면"을 보여 준다. (곧, 곡면 z=F(x,y)z=F(x,y) 와 세 평면 (y=1.9y=1.9, y=2y=2, y=2.1y=2.1)의 교선이다.) 각 진술에 대해 알맞은 말에 동그라미를 치세요.

(i)  1계 편도함수 Fx(1,2) 는양수/음수/0 (하나에 동그라미)(ii)  F 는 (2,2) 에서 임계점을 갖는다 참/거짓 (하나에 동그라미)(iii)  2계 편도함수 Fxy(1,2) 는양수/음수/0 (하나에 동그라미)\begin{aligned} \text{(i) }& \text{ 1계 편도함수 $F_x(1,2)$ 는} & &\text{양수/음수/0 (하나에 동그라미)} \\ \text{(ii) }& \text{ $F$ 는 $(2,2)$ 에서 임계점을 갖는다 } & &\text{참/거짓 (하나에 동그라미)} \\ \text{(iii) }& \text{ 2계 편도함수 $F_{xy}(1,2)$ 는} & &\text{양수/음수/0 (하나에 동그라미)} \end{aligned}

그림

영어 원문 보기

(a) Some level curves of a function f(x,y)f(x,y) are plotted in the xyxy–plane below.

figure

For each of the four statements below, circle the letters of all points in the diagram where the situation applies. For example, if the statement were “These points are on the yy–axis”, you would circle both PP and UU, but none of the other letters. You may assume that a local maximum occurs at point TT.

(i) ∇f is zeroP Q R S T U(ii)  f has a saddle pointP Q R S T U(iii)  the partial derivative fy is positiveP Q R S T U(iv)  the directional derivative of f in the direction <0,−1> isP Q R S T U negative\begin{aligned} \text{(i) }& { \boldsymbol{\nabla} } f\text{ is zero} & &\text{P Q R S T U} \\ \text{(ii) }& \text{ $f$ has a saddle point} & &\text{P Q R S T U} \\ \text{(iii) }& \text{ the partial derivative $f_y$ is positive} & &\text{P Q R S T U} \\ \text{(iv) }& \text{ the directional derivative of $f$ in the direction $\left< 0,-1\right>$ is} & &\text{P Q R S T U} \\[-0.07in] & \text{ negative} & & \end{aligned} (b) The diagram below shows three “yy traces” of a graph z=F(x,y)z=F(x,y) plotted on xzxz–axes. (Namely the intersections of the surface z=F(x,y)z=F(x,y) with the three planes (y=1.9y=1.9, y=2y=2, y=2.1y=2.1). For each statement below, circle the correct word.

(i)  the first order partial derivative Fx(1,2) ispositive/negative/zero (circle one)(ii)  F has a critical point at (2,2) true/false (circle one)(iii)  the second order partial derivative Fxy(1,2) ispositive/negative/zero (circle one)\begin{aligned} \text{(i) }& \text{ the first order partial derivative $F_x(1,2)$ is} & &\text{positive/negative/zero (circle one)} \\ \text{(ii) }& \text{ $F$ has a critical point at $(2,2)$ } & &\text{true/false (circle one)} \\ \text{(iii) }& \text{ the second order partial derivative $F_{xy}(1,2)$ is} & &\text{positive/negative/zero (circle one)} \end{aligned}

figure

정답·풀이 보기

a) (ⅰ) 임계점에서 ∇f{ \boldsymbol{\nabla} } f 는 영벡터이다. 점 TT 는 극댓값을 갖는 점이고 점 UU 는 안장점이다. 나머지 점 PP, RR, SS 는 임계점이 아니다.

(a) (ⅱ) 안장점은 UU 뿐이다.

(a) (ⅲ) (x,y)(x,y) 에서 수직 위쪽으로 움직일 때 ff 가 증가하면 fy(x,y)>0f_y(x,y)>0 이다. 그림을 보면 다음과 같다.

fy(P)<0fy(Q)<0fy(R)=0fy(S)>0fy(T)=0fy(U)=0\begin{aligned} f_y(P) <0\qquad f_y(Q) <0\qquad f_y(R) =0\qquad f_y(S) >0\qquad f_y(T) =0\qquad f_y(U) =0 \end{aligned}

따라서 조건에 맞는 점은 SS 뿐이다.

(a) (ⅳ) ff 의 방향 <0,−1>\left< 0,-1\right> 으로의 방향도함수는 ∇f⋅<0,−1>=−fy{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot \left< 0,-1\right> =-f_y 이다. 이 값이 음수일 필요충분조건은 fy>0f_y>0 이다. 따라서 이번에도 조건에 맞는 점은 SS 뿐이다.

(b) (ⅰ) 그림에서 y=2.0y=2.0 의 그래프는 x=1x=1 에서 기울기가 양수이므로, 함수 z=F(x,2)z=F(x,2) 는 x=1x=1 에서 증가한다. 따라서 Fx(1,2)>0F_x(1,2)>0 이다.

(b) (ⅱ) 그림에서 y=2.0y=2.0 의 그래프는 x=2x=2 에서 기울기가 양수이므로, 함수 z=F(x,2)z=F(x,2) 는 x=2x=2 에서도 (천천히이지만) 증가한다. 따라서 Fx(2,2)>0F_x(2,2)>0 이다. 그러므로 FF 는 (2,2)(2,2) 에서 임계점을 갖지 않는다.

(b) (ⅲ) 그림으로 보아 Fx(1,1.9)>Fx(1,2.0)>Fx(1,2.1)F_x(1,1.9) > F_x(1,2.0) > F_x(1,2.1) 인 것으로 보인다. 곧, x=1x=1 에서 y=1.9y=1.9 그래프의 기울기가 x=1x=1 에서 y=2.0y=2.0 그래프의 기울기보다 크고, 이 기울기는 다시 x=1x=1 에서 y=2.1y=2.1 그래프의 기울기보다 큰 것으로 보인다. 따라서 yy 가 y=2y=2 를 지나며 증가할 때 Fx(1,y)F_x(1,y) 는 감소하는 것으로 보이고, 그러므로 Fxy(1,2)<0F_{xy}(1,2)<0 이다.

원본 교재 풀이(영어)

a) (i) ∇f{ \boldsymbol{\nabla} } f is zero at critical points. The point TT is a local maximum and the point UU is a saddle point. The remaining points PP, RR, SS, are not critical points.

(a) (ii) Only UU is a saddle point.

(a) (iii) We have fy(x,y)>0f_y(x,y)>0 if ff increases as you move vertically upward through (x,y)(x,y). Looking at the diagram, we see

fy(P)<0fy(Q)<0fy(R)=0fy(S)>0fy(T)=0fy(U)=0\begin{aligned} f_y(P) <0\qquad f_y(Q) <0\qquad f_y(R) =0\qquad f_y(S) >0\qquad f_y(T) =0\qquad f_y(U) =0 \end{aligned}

So only SS works.

(a) (iv) The directional derivative of ff in the direction <0,−1>\left< 0,-1\right> is ∇f⋅<0,−1>=−fy{ \boldsymbol{\nabla} } f\cdot \left< 0,-1\right> =-f_y. It is negative if and only if fy>0f_y>0. So, again, only SS works.

(b) (i) The function z=F(x,2)z=F(x,2) is increasing at x=1x=1, because the y=2.0y=2.0 graph in the diagram has positive slope at x=1x=1. So Fx(1,2)>0F_x(1,2)>0.

(b) (ii) The function z=F(x,2)z=F(x,2) is also increasing (though slowly) at x=2x=2, because the y=2.0y=2.0 graph in the diagram has positive slope at x=2x=2. So Fx(2,2)>0F_x(2,2)>0. So FF does not have a critical point at (2,2)(2,2).

(b) (iii) From the diagram the looks like Fx(1,1.9)>Fx(1,2.0)>Fx(1,2.1)F_x(1,1.9) > F_x(1,2.0) > F_x(1,2.1). That is, it looks like the slope of the y=1.9y=1.9 graph at x=1x=1 is larger than the slope of the y=2.0y=2.0 graph at x=1x=1, which in turn is larger than the slope of the y=2.1y=2.1 graph at x=1x=1. So it looks like Fx(1,y)F_x(1,y) decreases as yy increases through y=2y=2, and consequently Fxy(1,2)<0F_{xy}(1,2)<0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 3번
# 극값과 안장점그래프·표 해석기본자동 분류
2.CLP-3 · 2.9절 · 2번대학 수준우리말 번역

(x,y)(x,y) 가 정사각형 영역 ∣x∣≤1|x|\le 1, ∣y∣≤1|y|\le 1 에서 변할 때, 곡면  z=x2+y2 \ z=\sqrt{x^2+y^2}\ 의 가장 높은 점과 가장 낮은 점을 구하세요. 그 점들에서  zx, zy \ z_x,\ z_y\ 의 값에 대해 논하세요. 답하는 과정에서 도함수를 구하지 마세요.

영어 원문 보기

Find the high and low points of the surface  z=x2+y2 \ z=\sqrt{x^2+y^2}\ with (x,y)(x,y) varying over the square  ∣x∣≤1\ |x|\le 1, ∣y∣≤1 |y|\le 1\ . Discuss the values of  zx, zy \ z_x,\ z_y\ there. Do not evaluate any derivatives in answering this question.

정답·풀이 보기

(x,y)(x,y) 에서의 높이 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 은 (x,y)(x,y) 에서 (0,0)(0,0) 까지의 거리이다. 따라서 최소 높이는 (0,0,0)(0,0,0) 에서 0이다. 이 곡면은 원뿔이다. 원뿔은 (0,0,0)(0,0,0) 에서 뾰족하며, 그 점에서 미분계수 zxz_x 와 zyz_y 는 존재하지 않는다. 최대 높이는 (x,y)(x,y) 가 (0,0)(0,0) 에서 가능한 한 멀리 있을 때 얻어진다. 가장 높은 점은 (±1,±1,2)(\pm 1,\pm 1,\sqrt{2}) 이다. 이 점들에서 zxz_x 와 zyz_y 는 존재하지만 0이 아니다. ∣x∣,∣y∣≤1|x|,|y|\le 1 이라는 제한이 없다면 이 점들은 가장 높은 점이 아닐 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

The height x2+y2\sqrt{x^2+y^2} at (x,y)(x,y) is the distance from (x,y)(x,y) to (0,0)(0,0). So the minimum height is zero at (0,0,0)(0,0,0). The surface is a cone. The cone has a point at (0,0,0)(0,0,0) and the derivatives zxz_x and zyz_y do not exist there. The maximum height is achieved when (x,y)(x,y) is as far as possible from (0,0)(0,0). The highest points are at (±1,±1,2)(\pm 1,\pm 1,\sqrt{2}). There zxz_x and zyz_y exist but are not zero. These points would not be the highest points if it were not for the restriction ∣x∣,∣y∣≤1|x|,|y|\le 1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.8절 · 6번
# 극값과 안장점계산기본자동 분류
3.CLP-3 · 2.9절 · 3번대학 수준우리말 번역

한 변수 매끄러운 함수  f(t) \ f(t)\ (tt 는 모든 실수 값을 가진다)에 대하여 t0t_0 이 극솟값 또는 극댓값을 주는 점이면  f′(t0)=0\ f'(t_0)=0 이다. 직선  x=a+td \ \mathbf{x}=\mathbf{a}+t\mathbf{d}\ 위의 점들로 제한한 매끄러운 함수  g(x) \ g(\mathbf{x})\ 가 x0\mathbf{x}_0 에서 극솟값 또는 극댓값을 갖기 위한 이와 유사한 필요조건을 유도하세요. 이 조건에는 g(x)g(\mathbf{x}) 의 그래디언트가 들어가야 합니다.

영어 원문 보기

If t0t_0 is a local minimum or maximum of the smooth function  f(t) \ f(t)\ of one variable (tt runs over all real numbers) then  f′(t0)=0.\ f'(t_0)=0. Derive an analogous necessary condition for x0\mathbf{x}_0 to be a local minimum or maximium of the smooth function  g(x) \ g(\mathbf{x})\ restricted to points on the line  x=a+td .\ \mathbf{x}=\mathbf{a}+t\mathbf{d}\ . The test should involve the gradient of g(x)g(\mathbf{x}).

정답·풀이 보기

f(t)=g(a+td)f(t)=g(\mathbf{a}+t\mathbf{d}) 로 정의하고, x0=a+t0d\mathbf{x}_0=\mathbf{a}+t_0\mathbf{d} 가 되도록 t0t_0 을 정한다. 그러면 f′(t)=∇g(a+td)⋅df'(t)={ \boldsymbol{\nabla} } g(\mathbf{a}+t\mathbf{d})\cdot\mathbf{d} 이다. 이를 확인하기 위해 a=<a1,a2,a3>\mathbf{a}=\left< a_1,a_2,a_3\right>, d=<d1,d2,d3>\mathbf{d}=\left< d_1,d_2,d_3\right> 로 쓰자. 그러면

f(t)=g(a1+td1,a2+td2,a3+td3)f(t)=g(a_1+td_1,a_2+td_2,a_3+td_3)

이므로 연쇄 법칙에 의해

f′(t)=∂g∂x(a1+td1,a2+td2,a3+td3) d1+∂g∂y(a1+td1,a2+td2,a3+td3) d2+∂g∂z(a1+td1,a2+td2,a3+td3) d3=∇g(a+td)⋅d\begin{aligned} f'(t) &= \frac{\partial g}{\partial x}(a_1+td_1,a_2+td_2,a_3+td_3)\,d_1 +\frac{\partial g}{\partial y}(a_1+td_1,a_2+td_2,a_3+td_3)\,d_2 \\& +\frac{\partial g}{\partial z}(a_1+td_1,a_2+td_2,a_3+td_3)\,d_3 \\ &={ \boldsymbol{\nabla} } g(\mathbf{a}+t\mathbf{d})\cdot\mathbf{d} \end{aligned}

이다. 그러면 x0\mathbf{x}_0 이 주어진 직선으로 제한한 gg 의 극댓값 또는 극솟값을 주는 점일 필요충분조건은 t0t_0 이 f(t)f(t) 의 극댓값 또는 극솟값을 주는 점인 것이다. 그렇다면 f′(t0)f'(t_0) 은 반드시 00 이 된다. 따라서 x0\mathbf{x}_0 이 주어진 직선으로 제한한 gg 의 극댓값 또는 극솟값을 주는 점이면 ∇g(x0)⋅d=0{ \boldsymbol{\nabla} } g(\mathbf{x}_0)\cdot\mathbf{d}=0, 즉 ∇g(x0)⊥d{ \boldsymbol{\nabla} } g(\mathbf{x}_0)\perp\mathbf{d} 이고, 어떤 t0t_0 에 대해 x0=a+t0d\mathbf{x}_0=\mathbf{a}+t_0\mathbf{d} 이다. 두 번째 조건은 x0x_0 이 직선 위에 있음을 보장하기 위한 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

Define f(t)=g(a+td)f(t)=g(\mathbf{a}+t\mathbf{d}) and determine t0t_0 by x0=a+t0d\mathbf{x}_0=\mathbf{a}+t_0\mathbf{d}. Then f′(t)=∇g(a+td)⋅df'(t)={ \boldsymbol{\nabla} } g(\mathbf{a}+t\mathbf{d})\cdot\mathbf{d}. To see this, write a=<a1,a2,a3>\mathbf{a}=\left< a_1,a_2,a_3\right> and d=<d1,d2,d3>\mathbf{d}=\left< d_1,d_2,d_3\right>. Then

f(t)=g(a1+td1,a2+td2,a3+td3)f(t)=g(a_1+td_1,a_2+td_2,a_3+td_3)

So, by the chain rule,

f′(t)=∂g∂x(a1+td1,a2+td2,a3+td3) d1+∂g∂y(a1+td1,a2+td2,a3+td3) d2+∂g∂z(a1+td1,a2+td2,a3+td3) d3=∇g(a+td)⋅d\begin{aligned} f'(t) &= \frac{\partial g}{\partial x}(a_1+td_1,a_2+td_2,a_3+td_3)\,d_1 +\frac{\partial g}{\partial y}(a_1+td_1,a_2+td_2,a_3+td_3)\,d_2 \\& +\frac{\partial g}{\partial z}(a_1+td_1,a_2+td_2,a_3+td_3)\,d_3 \\ &={ \boldsymbol{\nabla} } g(\mathbf{a}+t\mathbf{d})\cdot\mathbf{d} \end{aligned}

Then x0\mathbf{x}_0 is a local max or min of the restriction of gg to the specified line if and only if t0t_0 is a local max or min of f(t)f(t). If so, f′(t0)f'(t_0) necessarily vanishes. So if x0\mathbf{x}_0 is a local max or min of the restriction of gg to the specified line, then ∇g(x0)⋅d=0{ \boldsymbol{\nabla} } g(\mathbf{x}_0)\cdot\mathbf{d}=0, i.e. ∇g(x0)⊥d{ \boldsymbol{\nabla} } g(\mathbf{x}_0)\perp\mathbf{d}, and x0=a+t0d\mathbf{x}_0=\mathbf{a}+t_0\mathbf{d} for some t0t_0. The second condition is to ensure that x0x_0 lies on the line.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 2번
# 극값과 안장점계산기본자동 분류