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.

2문제 · 1 / 1쪽

1.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
2.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