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.

31문제 · 2 / 2쪽

21.OpenStax 3권 · 4.7절 · 29번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 이계도함수 판정법을 이용하여 임계점을 분류하고, 각 임계점이 극대점, 극소점, 안장점 중 어느 것인지, 또는 그 어느 것도 아닌지 판단하세요.

f(x,y)=2x2+2xy+y2+2x−3f(x,y)=2{x}^{2}+2xy+{y}^{2}+2x-3

영어 원문 보기

For the following exercises, use the second derivative test to classify any critical points and determine whether each critical point is a maximum, minimum, saddle point, or none of these.

f(x,y)=2x2+2xy+y2+2x−3f(x,y)=2{x}^{2}+2xy+{y}^{2}+2x-3

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.7절 · 20번
# 극값과 안장점활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
22.OpenStax 3권 · 4.7절 · 30번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 이계도함수 판정법을 사용하여 임계점을 분류하고, 각 임계점이 극댓값인지, 극솟값인지, 안장점인지, 아니면 이들 중 어느 것도 아닌지 판단하세요.

f(x,y)=x2+x−3xy+y3−5f(x,y)={x}^{2}+x-3xy+{y}^{3}-5

영어 원문 보기

For the following exercises, use the second derivative test to classify any critical points and determine whether each critical point is a maximum, minimum, saddle point, or none of these.

f(x,y)=x2+x−3xy+y3−5f(x,y)={x}^{2}+x-3xy+{y}^{3}-5

정답·풀이 보기

(14,12)\left(\frac{1}{4},\frac{1}{2}\right) 은 안장점이고 (1,1)(1,1) 은 극솟값이다.

원본 교재 풀이(영어)

(14,12)\left(\frac{1}{4},\frac{1}{2}\right) is a saddle point and (1,1)(1,1) is the relative minimum.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.7절 · 32번
# 극값과 안장점활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
23.OpenStax 3권 · 4.7절 · 31번대학 수준우리말 번역

다음 연습문제에서 이계도함수 판정법을 사용하여 임계점을 분류하고, 각 임계점이 극댓값인지, 극솟값인지, 안장점인지, 아니면 이들 중 어느 것도 아닌지 판단하세요.

f(x,y)=2xye−x2−y2f(x,y)=2xy{e}^{-{x}^{2}-{y}^{2}}

영어 원문 보기

For the following exercises, use the second derivative test to classify any critical points and determine whether each critical point is a maximum, minimum, saddle point, or none of these.

f(x,y)=2xye−x2−y2f(x,y)=2xy{e}^{-{x}^{2}-{y}^{2}}

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.7절 · 4번
# 극값과 안장점활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
24.OpenStax 3권 · 4.7절 · 41번대학 수준우리말 번역

세 면이 좌표평면 위에 있고 한 꼭짓점이 제1팔분공간에 있으면서 평면 x+y+z=1x+y+z=1 위에 있는 직육면체의 최대 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the maximum volume of a rectangular box with three faces in the coordinate planes and a vertex in the first octant on the plane x+y+z=1.x+y+z=1.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.7절 · 46번
# 극값과 안장점활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
25.OpenStax 3권 · 4.7절 · 43번대학 수준우리말 번역

부피가 44 ft3인 뚜껑 없는 판지 상자를 만들려고 한다. 판지가 가장 적게 드는 상자의 치수를 구하세요.

영어 원문 보기

A cardboard box without a lid is to be made with a volume of 44 ft3. Find the dimensions of the box that requires the least amount of cardboard.

원본 교재에 이 문제의 정답은 실려 있지 않습니다.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 34번
# 극값과 안장점활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
26.OpenStax 3권 · 4.7절 · 46번대학 수준우리말 번역

한 회사가 조깅화와 크로스트레이너, 두 종류의 운동화를 생산한다. 조깅화 xx 켤레와 크로스트레이너 yy 켤레에서 얻는 총수입은 R(x,y)=−5x2−8y2−2xy+42x+102yR(x,y)=-5{x}^{2}-8{y}^{2}-2xy+42x+102y 로 주어진다. 여기서 xx 와 yy 의 단위는 천 켤레이다. 총수입이 최대가 되도록 하는 x 와 y 의 값을 구하세요.

영어 원문 보기

A company manufactures two types of athletic shoes: jogging shoes and cross-trainers. The total revenue from xx jogging shoes and yy cross-trainers is given by R(x,y)=−5x2−8y2−2xy+42x+102y,R(x,y)=-5{x}^{2}-8{y}^{2}-2xy+42x+102y, where xx and yy are in thousands of units. Find the values of x and y to maximize the total revenue.

정답·풀이 보기

x=3x=3 그리고 y=6y=6

원본 교재 풀이(영어)

x=3x=3 and y=6y=6

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 3권 · 4.7절 · 40번
# 극값과 안장점활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
27.OpenStax 3권 · 4.7절 · 48번대학 수준우리말 번역

높이와 원의 둘레의 합이 120120 cm 인 원기둥 모양 음료수 캔의 최대 부피를 구하세요.

영어 원문 보기

Find the maximum volume of a cylindrical soda can such that the sum of its height and circumference is 120120 cm.

정답·풀이 보기

V=64,000π≈20,372V=\frac{64,000}{\pi }\approx 20,372 cm3

원본 교재 풀이(영어)

V=64,000π≈20,372V=\frac{64,000}{\pi }\approx 20,372 cm3

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 1번
# 극값과 안장점활용자동 분류
OpenStax Calculus Volume 3 CC BY-NC-SA 4.0우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)
28.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
29.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
30.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
31.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