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 · 5번대학 수준우리말 번역

2계 도함수 판정법을 이용하여, 함수 z=x2+cxy+y2z = x^2 + cxy + y^2 이 (0,0)(0,0) 에서 안장점을 갖도록 하는 상수 cc 의 값을 모두 구하세요.

영어 원문 보기

Use the Second Derivative Test to find all values of the constant cc for which the function z=x2+cxy+y2z = x^2 + cxy + y^2 has a saddle point at (0,0)(0,0).

정답·풀이 보기

f(x,y)=x2+cxy+y2f(x,y) = x^2 +cxy +y^2 이라 하자. 그러면

fx(x,y)=2x+cyfx(0,0)=0fy(x,y)=cx+2yfy(0,0)=0fxx(x,y)=2fxy(x,y)=cfyy(x,y)=2\begin{aligned} f_x(x,y)&= 2x+cy & f_x(0,0) = 0 \\ f_y(x,y)&= cx+2y & f_y(0,0) = 0 \\ f_{xx}(x,y) &= 2 \\ f_{xy}(x,y) &= c \\ f_{yy}(x,y) &= 2 \end{aligned}

fx(0,0)=fy(0,0)=0f_x(0,0)=f_y(0,0)=0 이므로 (0,0)(0,0) 은 항상 ff 의 임계점이다. 2계 도함수 판정법에 따르면, 다음이 성립할 때 (0,0)(0,0) 은 ff 의 안장점이다.

fxx(0,0)fyy(0,0)−fxy(0,0)2<0  ⟺  4−c2<0  ⟺  ∣c∣>2\begin{aligned} f_{xx}(0,0) f_{yy}(0,0) - f_{xy}(0,0)^2 <0 \iff 4-c^2 <0 \iff |c|>2 \end{aligned}

참고로, 식 fxx(0,0)fyy(0,0)−fxy(0,0)2=0f_{xx}(0,0) f_{yy}(0,0) - f_{xy}(0,0)^2 =0 일 때, 즉 c=±2c=\pm 2 일 때에는 2계 도함수 판정법으로 알 수 있는 정보가 없다. 그런데 c=±2c=\pm 2 일 때

f(x,y)=x2±2xy+y2=(x±y)2f(x,y) = x^2 \pm 2xy + y^2 =(x\pm y)^2

이고, ff 는 (0,0)(0,0) 에서 안장점이 아니라 극솟값을 갖는다.

원본 교재 풀이(영어)

Write f(x,y)=x2+cxy+y2f(x,y) = x^2 +cxy +y^2. Then

fx(x,y)=2x+cyfx(0,0)=0fy(x,y)=cx+2yfy(0,0)=0fxx(x,y)=2fxy(x,y)=cfyy(x,y)=2\begin{aligned} f_x(x,y)&= 2x+cy & f_x(0,0) = 0 \\ f_y(x,y)&= cx+2y & f_y(0,0) = 0 \\ f_{xx}(x,y) &= 2 \\ f_{xy}(x,y) &= c \\ f_{yy}(x,y) &= 2 \end{aligned}

As fx(0,0)=fy(0,0)=0f_x(0,0)=f_y(0,0)=0, we have that (0,0)(0,0) is always a critical point for ff. According to the Second Derivative Test, (0,0)(0,0) is also a saddle point for ff if

fxx(0,0)fyy(0,0)−fxy(0,0)2<0  ⟺  4−c2<0  ⟺  ∣c∣>2\begin{aligned} f_{xx}(0,0) f_{yy}(0,0) - f_{xy}(0,0)^2 <0 \iff 4-c^2 <0 \iff |c|>2 \end{aligned}

As a remark, the Second Derivative Test provides no information when the expression fxx(0,0)fyy(0,0)−fxy(0,0)2=0f_{xx}(0,0) f_{yy}(0,0) - f_{xy}(0,0)^2 =0, i.e. when c=±2c=\pm 2. But when c=±2c=\pm 2,

f(x,y)=x2±2xy+y2=(x±y)2f(x,y) = x^2 \pm 2xy + y^2 =(x\pm y)^2

and ff has a local minimum, not a saddle point, at (0,0)(0,0).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기APEX · 12.8절 · 5번
# 극값과 안장점활용보통자동 분류
2.CLP-3 · 2.9절 · 13번대학 수준우리말 번역

원판 x2+y2≤1x^2+y^2\le 1 위의 모든 점에서의 온도가 T(x,y)=(x+y)e−x2−y2T(x,y)=(x+y)e^{-x^2-y^2} 으로 주어질 때, 이 원판 위의 점에서의 최고 온도와 최저 온도를 구하세요.

영어 원문 보기

The temperature at all points in the disc x2+y2≤1x^2+y^2\le 1 is given by T(x,y)=(x+y)e−x2−y2T(x,y)=(x+y)e^{-x^2-y^2}. Find the maximum and minimum temperatures at points of the disc.

정답·풀이 보기

주어진 온도 함수와 그 1계 편도함수는 다음과 같다.

T(x,y)=(x+y)e−x2−y2Tx(x,y)=(1−2x2−2xy)e−x2−y2Ty(x,y)=(1−2xy−2y2)e−x2−y2\begin{aligned} T(x,y)&=(x+y)e^{-x^2-y^2}\\ T_x(x,y)&=(1-2x^2-2xy)e^{-x^2-y^2}\\ T_y(x,y)&=(1-2xy-2y^2)e^{-x^2-y^2} \end{aligned}

  • 먼저 임계점을 구한다.

Tx=0  ⟺  2x(x+y)=1Ty=0  ⟺  2y(x+y)=1\begin{aligned} T_x&=0 & &\quad\iff\quad & 2x(x+y)&=1 \\ T_y&=0 & &\quad\iff\quad & 2y(x+y)&=1 \end{aligned}

x+yx+y 는 0이 될 수 없으므로 x=yx=y 이고, 따라서 x=y=±12x=y=\pm\tfrac{1}{2} 이다. 그러므로 임계점은 (12,12)(\tfrac{1}{2},\tfrac{1}{2}) 과 (−12,−12)(-\tfrac{1}{2},-\tfrac{1}{2}) 뿐이다.

  • 경계에서는 x=cos⁡θx=\cos\theta, y=sin⁡θy=\sin\theta 이므로 T=(cos⁡θ+sin⁡θ)e−1T=(\cos\theta+\sin\theta)e^{-1} 이다. 이 함수는 주기함수이므로 최댓값과 최솟값은 dTdθ=(−sin⁡θ+cos⁡θ)e−1\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}\theta}=\big(-\sin\theta+\cos\theta\big)e^{-1} 이 0이 되는 곳에서 나타난다. 즉 sin⁡θ=cos⁡θ\sin\theta=\cos\theta 일 때이고, 따라서 sin⁡θ=cos⁡θ=±12\sin\theta=\cos\theta=\pm\frac{1}{\sqrt{2}} 이다.

종합하면 최댓값과 최솟값의 후보는 다음과 같다.

점(12,12)(−12,−12)(12,12)(−12,−12)함숫값 T1e≈0.61−1e2e≈0.52−2e최대최소\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline \text{점} & (\tfrac{1}{2},\tfrac{1}{2}) & (-\tfrac{1}{2},-\tfrac{1}{2}) & (\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}}) & (-\frac{1}{\sqrt{2}},-\frac{1}{\sqrt{2}}) \\ \hline \text{함숫값 }T & \frac{1}{\sqrt{e}}\approx0.61 & -\frac{1}{\sqrt{e}} & \frac{\sqrt{2}}{e}\approx0.52 & -\frac{\sqrt{2}}{e} \\ \hline & \text{최대} & \text{최소} & & \\ \hline \end{array}

이 표에서 TT 의 가장 큰 값과 가장 작은 값은

최소=−1e최대=1e\text{최소}=-\frac{1}{\sqrt{e}}\qquad \text{최대}=\frac{1}{\sqrt{e}}

이다.

원본 교재 풀이(영어)

The specified temperature and its first order derivatives are

T(x,y)=(x+y)e−x2−y2Tx(x,y)=(1−2x2−2xy)e−x2−y2Ty(x,y)=(1−2xy−2y2)e−x2−y2\begin{aligned} T(x,y)&=(x+y)e^{-x^2-y^2}\\ T_x(x,y)&=(1-2x^2-2xy)e^{-x^2-y^2}\\ T_y(x,y)&=(1-2xy-2y^2)e^{-x^2-y^2} \end{aligned}

  • First, we find the critical points.

Tx=0  ⟺  2x(x+y)=1Ty=0  ⟺  2y(x+y)=1\begin{aligned} T_x&=0 & &\quad\iff\quad & 2x(x+y)&=1 \\ T_y&=0 & &\quad\iff\quad & 2y(x+y)&=1 \end{aligned}

As x+yx+y may not vanish, this forces x=yx=y and then x=y=±12x=y=\pm\tfrac{1}{2}. So the only critical points are (12,12)(\tfrac{1}{2},\tfrac{1}{2}) and (−12,−12)(-\tfrac{1}{2},-\tfrac{1}{2}).

  • On the boundary x=cos⁡θx=\cos\theta and y=sin⁡θy=\sin\theta, so T=(cos⁡θ+sin⁡θ)e−1T=(\cos\theta+\sin\theta)e^{-1}. This is a periodic function and so takes its max and min at zeroes of dTdθ=(−sin⁡θ+cos⁡θ)e−1\frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}\theta}=\big(-\sin\theta+\cos\theta\big)e^{-1}. That is, when sin⁡θ=cos⁡θ\sin\theta=\cos\theta, which forces sin⁡θ=cos⁡θ=±12\sin\theta=\cos\theta=\pm\frac{1}{\sqrt{2}}.

All together, we have the following candidates for max and min.

point(12,12)(−12,−12)(12,12)(−12,−12)value of T1e≈0.61−1e2e≈0.52−2emaxmin\begin{array}{|c|c|c|c|c|}\hline \text{point} & (\tfrac{1}{2},\tfrac{1}{2}) & (-\tfrac{1}{2},-\tfrac{1}{2}) & (\frac{1}{\sqrt{2}},\frac{1}{\sqrt{2}}) & (-\frac{1}{\sqrt{2}},-\frac{1}{\sqrt{2}}) \\ \hline \text{value of }T & \frac{1}{\sqrt{e}}\approx0.61 & -\frac{1}{\sqrt{e}} & \frac{\sqrt{2}}{e}\approx0.52 & -\frac{\sqrt{2}}{e} \\ \hline & \text{max} & \text{min} & & \\ \hline \end{array}

The largest and smallest values of TT in this table are

min=−1emax=1e\text{min}=-\frac{1}{\sqrt{e}}\qquad \text{max}=\frac{1}{\sqrt{e}}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.7절 · 2번
# 극값과 안장점활용보통자동 분류
3.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