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.

48문제 · 3 / 3쪽

41.CLP-3 · 2.9절 · 23번대학 수준우리말 번역

다음과 같이 두자.

f(x,y)=xy(x+2y−6)f(x,y)=xy(x+2y-6)

(a) f(x,y)f(x,y) 의 모든 임계점을 구하고, 각각을 분류하세요. (b) DD 를 쌍곡선 xy=4xy=4 와 직선 x+2y−6=0x+2y-6=0 사이에 있는 평면 영역이라 하자. DD 에서 f(x,y)f(x,y) 의 최댓값과 최솟값을 구하세요.

영어 원문 보기

Let

f(x,y)=xy(x+2y−6)f(x,y)=xy(x+2y-6)

(a) Find every critical point of f(x,y)f(x,y) and classify each one. (b) Let DD be the region in the plane between the hyperbola xy=4xy=4 and the line x+2y−6=0x+2y-6=0. Find the maximum and minimum values of f(x,y)f(x,y) on DD.

정답·풀이 보기

(a) 다음을 얻는다.

f(x,y)=xy(x+2y−6)fx(x,y)=2xy+2y2−6yfxx(x,y)=2yfy(x,y)=x2+4xy−6xfyy(x,y)=4xfxy(x,y)=2x+4y−6\begin{aligned} f(x,y)&=xy(x+2y-6)\quad & f_x(x,y)&=2xy+2y^2-6y\quad & f_{xx}(x,y)&=2y \\ & & f_y(x,y)&=x^2+4xy-6x & f_{yy}(x,y)&=4x\\ & & & &f_{xy}(x,y)&=2x+4y-6 \end{aligned}

임계점에서

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  2y(x+y−3)=0 그리고 x(x+4y−6)=0  ⟺  {y=0 또는 x+y=3} 그리고 {x=0 또는 x+4y=6}  ⟺  {x=y=0} 또는 {y=0, x+4y=6} 또는 {x+y=3, x=0} 또는 {x+y=3, x+4y=6}  ⟺  (x,y)=(0,0) 또는 (6,0) 또는 (0,3) 또는 (2,1)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff 2y(x+y-3)=0\text{ 그리고 }x(x+4y-6)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ 또는 }x+y=3\}\text{ 그리고 }\{x=0\text{ 또는 }x+4y=6\}\\ &\iff \{x=y=0\}\text{ 또는 }\{y=0,\ x+4y=6\}\\ &\text{ 또는 }\{x+y=3,\ x=0\} \text{ 또는 }\{x+y=3,\ x+4y=6\}\\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ 또는 }(6,0)\text{ 또는 }(0,3)\text{ 또는 }(2,1) \end{aligned}

네 임계점 각각의 분류는 다음 표와 같다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(0,0)0×0−(−6)2<0안장점(6,0)0×24−62<0안장점(0,3)6×0−62<0안장점(2,1)2×8−22>02극소점\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{종류} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-6)^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (6,0) & 0\times 24-6^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (0,3) & 6\times 0-6^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (2,1) & 2\times 8-2^2>0 & \text{2} & \text{극소점} \\ \hline \end{array}

(b) xy=4xy=4 와 x+2y=6x+2y=6 은 x=6−2yx=6-2y 이고

(6−2y)y=4  ⟺  2y2−6y+4=0  ⟺  2(y−1)(y−2)=0  ⟺  (x,y)=(4,1) 또는 (2,2)\begin{aligned} (6-2y)y=4 &\iff 2y^2-6y+4=0 \iff 2(y-1)(y-2)=0 \\ &\iff (x,y) = (4,1)\text{ 또는 }(2,2) \end{aligned}

일 때 만난다.

아래 그림에서 색칠한 영역이 DD 이다.

그림

임계점은 어느 것도 DD 에 속하지 않는다. 따라서 최댓값과 최솟값은 (2,2)(2,2) 또는 (4,1)(4,1) 에서 나타나거나, xy=4xy=4, 2<x<42<x<4 위에서 나타난다(이 경우 F(x)=f(x,4x)=4(x+8x−6)F(x)=f\big(x,\frac{4}{x}\big)=4\big(x+\frac{8}{x}-6) 은 F′(x)=4−32x2=0  ⟺  x=±22F'(x)=4-\frac{32}{x^2}=0\iff x=\pm2\sqrt{2} 를 만족한다). 또는 x+2y=6x+2y=6, 2<x<42<x<4 위에서 나타난다(이 경우 f(x,y)f(x,y) 는 항등적으로 영이다). 그러므로 최솟값과 최댓값은 다음 중 한 점에서 나타난다.

(x,y)f(x,y)(2,2)2×2(2+2×2−6)=0(4,1)4×1(4+2×1−6)=0(22,2)4(22+22−6)<0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & f(x,y) \\ \hline (2,2) & 2\times 2(2+2\times2-6)=0 \\ \hline (4,1) & 4\times 1(4+2\times 1-6)=0 \\ \hline (2\sqrt{2},\sqrt{2}) & 4(2\sqrt{2}+2\sqrt{2}-6)<0 \\ \hline \end{array}

최댓값은 00 이고 최솟값은 4(42−6)≈−1.374(4\sqrt{2}-6) \approx -1.37 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We have

f(x,y)=xy(x+2y−6)fx(x,y)=2xy+2y2−6yfxx(x,y)=2yfy(x,y)=x2+4xy−6xfyy(x,y)=4xfxy(x,y)=2x+4y−6\begin{aligned} f(x,y)&=xy(x+2y-6)\quad & f_x(x,y)&=2xy+2y^2-6y\quad & f_{xx}(x,y)&=2y \\ & & f_y(x,y)&=x^2+4xy-6x & f_{yy}(x,y)&=4x\\ & & & &f_{xy}(x,y)&=2x+4y-6 \end{aligned}

At a critical point

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)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff 2y(x+y-3)=0\text{ and }x(x+4y-6)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ or }x+y=3\}\text{ and }\{x=0\text{ or }x+4y=6\}\\ &\iff \{x=y=0\}\text{ or }\{y=0,\ x+4y=6\}\\ &\text{ or }\{x+y=3,\ x=0\} \text{ or }\{x+y=3,\ x+4y=6\}\\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ or }(6,0)\text{ or }(0,3)\text{ or }(2,1) \end{aligned}

Here is a table giving the classification of each of the four critical points.

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(0,0)0×0−(−6)2<0saddle point(6,0)0×24−62<0saddle point(0,3)6×0−62<0saddle point(2,1)2×8−22>02local min\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-6)^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (6,0) & 0\times 24-6^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (0,3) & 6\times 0-6^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (2,1) & 2\times 8-2^2>0 & \text{2} & \text{local min} \\ \hline \end{array}

(b) Observe that xy=4xy=4 and x+2y=6x+2y=6 intersect when x=6−2yx=6-2y and

(6−2y)y=4  ⟺  2y2−6y+4=0  ⟺  2(y−1)(y−2)=0  ⟺  (x,y)=(4,1) or (2,2)\begin{aligned} (6-2y)y=4 &\iff 2y^2-6y+4=0 \iff 2(y-1)(y-2)=0 \\ &\iff (x,y) = (4,1)\text{ or }(2,2) \end{aligned}

The shaded region in the sketch below is DD.

figure

None of the critical points are in DD. So the max and min must occur at either (2,2)(2,2) or (4,1)(4,1) or on xy=4xy=4, 2<x<42<x<4 (in which case F(x)=f(x,4x)=4(x+8x−6)F(x)=f\big(x,\frac{4}{x}\big)=4\big(x+\frac{8}{x}-6) obeys F′(x)=4−32x2=0  ⟺  x=±22F'(x)=4-\frac{32}{x^2}=0\iff x=\pm2\sqrt{2}) or on x+2y=6x+2y=6, 2<x<42<x<4 (in which case f(x,y)f(x,y) is identically zero). So the min and max must occur at one of

(x,y)f(x,y)(2,2)2×2(2+2×2−6)=0(4,1)4×1(4+2×1−6)=0(22,2)4(22+22−6)<0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & f(x,y) \\ \hline (2,2) & 2\times 2(2+2\times2-6)=0 \\ \hline (4,1) & 4\times 1(4+2\times 1-6)=0 \\ \hline (2\sqrt{2},\sqrt{2}) & 4(2\sqrt{2}+2\sqrt{2}-6)<0 \\ \hline \end{array}

The maximum value is 00 and the minimum value is 4(42−6)≈−1.374(4\sqrt{2}-6) \approx -1.37.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 34번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
42.CLP-3 · 2.9절 · 24번대학 수준우리말 번역

함수

f(x,y)=x4+y4−4xyf(x,y)=x^4+y^4-4xy

의 모든 임계점을 xyxy 평면에서 구하세요. 각 임계점이 극솟값, 극댓값, 안장점 중 무엇인지 분류하세요.

영어 원문 보기

Find all the critical points of the function

f(x,y)=x4+y4−4xyf(x,y)=x^4+y^4-4xy

defined in the xyxy-plane. Classify each critical point as a local minimum, maximum or saddle point.

정답·풀이 보기

다음과 같다.

f(x,y)=x4+y4−4xyfx(x,y)=4x3−4yfxx(x,y)=12x2fy(x,y)=4y3−4xfyy(x,y)=12y2fxy(x,y)=−4\begin{aligned} f(x,y)&=x^4+y^4-4xy\qquad & f_x(x,y)&=4x^3-4y\qquad & f_{xx}(x,y)&=12x^2\\ & & f_y(x,y)&=4y^3-4x & f_{yy}(x,y)&=12y^2 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-4 \end{aligned}

임계점에서

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  y=x3 그리고 x=y3  ⟺  x=x9 그리고 y=x3  ⟺  x(x8−1)=0, y=x3  ⟺  (x,y)=(0,0) 또는 (1,1) 또는 (−1,−1)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff y=x^3\text{ 그리고 }x=y^3 \iff x=x^9\text{ 그리고 }y=x^3 \\ &\iff x(x^8-1)=0,\ y=x^3\\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ 또는 }(1,1)\text{ 또는 }(-1,-1) \end{aligned}

세 임계점 각각의 분류를 나타낸 표는 다음과 같다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(0,0)0×0−(−4)2<0안장점(1,1)12×12−(−4)2>012극솟값(−1,−1)12×12−(−4)2>012극솟값\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{종류} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-4)^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (1,1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{극솟값} \\ \hline (-1,-1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{극솟값} \\ \hline \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

We have

f(x,y)=x4+y4−4xyfx(x,y)=4x3−4yfxx(x,y)=12x2fy(x,y)=4y3−4xfyy(x,y)=12y2fxy(x,y)=−4\begin{aligned} f(x,y)&=x^4+y^4-4xy\qquad & f_x(x,y)&=4x^3-4y\qquad & f_{xx}(x,y)&=12x^2\\ & & f_y(x,y)&=4y^3-4x & f_{yy}(x,y)&=12y^2 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-4 \end{aligned}

At a critical point

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  y=x3 and x=y3  ⟺  x=x9 and y=x3  ⟺  x(x8−1)=0, y=x3  ⟺  (x,y)=(0,0) or (1,1) or (−1,−1)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff y=x^3\text{ and }x=y^3 \iff x=x^9\text{ and }y=x^3 \\ &\iff x(x^8-1)=0,\ y=x^3\\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ or }(1,1)\text{ or }(-1,-1) \end{aligned}

Here is a table giving the classification of each of the three critical points.

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(0,0)0×0−(−4)2<0saddle point(1,1)12×12−(−4)2>012local min(−1,−1)12×12−(−4)2>012local min\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (0,0) & 0\times 0-(-4)^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (1,1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{local min} \\ \hline (-1,-1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{local min} \\ \hline \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 12번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
43.CLP-3 · 2.9절 · 26번대학 수준우리말 번역

xyxy 평면에서 정의된 함수

f(x,y)=x3+xy2−xf(x,y)=x^3+xy^2-x

의 임계점을 모두 구하세요. 각 임계점이 극소, 극대, 안장점 중 어느 것인지 분류하세요. 그 이유를 설명하세요.

영어 원문 보기

Find all the critical points of the function

f(x,y)=x3+xy2−xf(x,y)=x^3+xy^2-x

defined in the xyxy-plane. Classify each critical point as a local minimum, maximum or saddle point. Explain your reasoning.

정답·풀이 보기

다음을 얻는다.

f(x,y)=x3+xy2−xfx(x,y)=3x2+y2−1fxx(x,y)=6xfy(x,y)=2xyfyy(x,y)=2xfxy(x,y)=2y\begin{aligned} f(x,y)&=x^3+xy^2-x\qquad & f_x(x,y)&=3x^2+y^2-1\qquad & f_{xx}(x,y)&=6x \\ & & f_y(x,y)&=2xy & f_{yy}(x,y)&=2x \\ & & & & f_{xy}(x,y)&=2y \end{aligned}

임계점에서는

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  xy=0 그리고 3x2+y2=1  ⟺  {x=0 또는 y=0} 그리고 3x2+y2=1  ⟺  (x,y)=(0,1) 또는 (0,−1) 또는 (13,0) 또는 (−13,0)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff xy=0\text{ 그리고 }3x^2+y^2=1 \\ &\iff \{x=0\text{ 또는 }y=0\}\text{ 그리고 }3x^2+y^2=1 \\ &\iff (x,y)=(0,1)\text{ 또는 }(0,-1)\text{ 또는 }\left(\frac{1}{\sqrt{3}},0\right) \text{ 또는 }\left(-\frac{1}{\sqrt{3}},0\right) \end{aligned}

이다. 다음 표는 네 임계점 각각의 분류를 나타낸 것이다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx유형(0,1)0×0−22<0안장점(0,−1)0×0−(−2)2<0안장점(13,0)23×23−02>023극소(−13,0)−23×(−23)−02>0−23극대\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{유형} \\ \hline (0,1) & 0\times 0-2^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (0,-1) & 0\times 0-(-2)^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline \big(\frac{1}{\sqrt{3}},0\big) & 2\sqrt{3}\times\frac{2}{\sqrt{3}}-0^2>0 & 2\sqrt{3} & \text{극소} \\ \hline \big(-\frac{1}{\sqrt{3}},0\big) & -2\sqrt{3}\times \big(-\frac{2}{\sqrt{3}}\big)-0^2>0 & -2\sqrt{3} & \text{극대} \\ \hline \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

We have

f(x,y)=x3+xy2−xfx(x,y)=3x2+y2−1fxx(x,y)=6xfy(x,y)=2xyfyy(x,y)=2xfxy(x,y)=2y\begin{aligned} f(x,y)&=x^3+xy^2-x\qquad & f_x(x,y)&=3x^2+y^2-1\qquad & f_{xx}(x,y)&=6x \\ & & f_y(x,y)&=2xy & f_{yy}(x,y)&=2x \\ & & & & f_{xy}(x,y)&=2y \end{aligned}

At a critical point

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  xy=0 and 3x2+y2=1  ⟺  {x=0 or y=0} and 3x2+y2=1  ⟺  (x,y)=(0,1) or (0,−1) or (13,0) or (−13,0)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff xy=0\text{ and }3x^2+y^2=1 \\ &\iff \{x=0\text{ or }y=0\}\text{ and }3x^2+y^2=1 \\ &\iff (x,y)=(0,1)\text{ or }(0,-1)\text{ or }\left(\frac{1}{\sqrt{3}},0\right) \text{ or }\left(-\frac{1}{\sqrt{3}},0\right) \end{aligned}

Here is a table giving the classification of each of the four critical points.

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(0,1)0×0−22<0saddle point(0,−1)0×0−(−2)2<0saddle point(13,0)23×23−02>023local min(−13,0)−23×(−23)−02>0−23local max\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (0,1) & 0\times 0-2^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (0,-1) & 0\times 0-(-2)^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline \big(\frac{1}{\sqrt{3}},0\big) & 2\sqrt{3}\times\frac{2}{\sqrt{3}}-0^2>0 & 2\sqrt{3} & \text{local min} \\ \hline \big(-\frac{1}{\sqrt{3}},0\big) & -2\sqrt{3}\times \big(-\frac{2}{\sqrt{3}}\big)-0^2>0 & -2\sqrt{3} & \text{local max} \\ \hline \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 14번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
44.CLP-3 · 2.9절 · 27번대학 수준우리말 번역

함수 g(x,y)=x2−10y−y2 g(x,y)=x^2-10y-y^2 을 생각하세요.

(a) gg 의 모든 임계점을 구하고 분류하세요. (b) 다음으로 주어진 유계인 영역에서 gg 의 절대 극값을 구하세요.

x2+4y2≤16, y≤0x^2+4y^2\le 16,\ y\le 0

영어 원문 보기

Consider the function g(x,y)=x2−10y−y2. g(x,y)=x^2-10y-y^2 .

(a) Find and classify all critical points of gg. (b) Find the absolute extrema of gg on the bounded region given by

x2+4y2≤16, y≤0x^2+4y^2\le 16,\ y\le 0

정답·풀이 보기

(a) 다음과 같다.

g(x,y)=x2−10y−y2gx(x,y)=2xgxx(x,y)=2gy(x,y)=−10−2ygyy(x,y)=−2gxy(x,y)=0\begin{aligned} g(x,y)&=x^2-10y-y^2 \qquad& g_x(x,y)&=2x \qquad& g_{xx}(x,y)&=2\\ & & g_y(x,y)&=-10-2y\qquad & g_{yy}(x,y)&=-2 \\ & & & &g_{xy}(x,y)&=0 \end{aligned}

임계점에서

gx(x,y)=gy(x,y)=0  ⟺  2x=0 이고 −10−2y=0  ⟺  (x,y)=(0,−5)\begin{aligned} g_x(x,y)=g_y(x,y)=0 \iff 2x=0\text{ 이고 }-10-2y=0 \iff (x,y)=(0,-5) \end{aligned}

gxx(0,−5)gyy(0,−5)−gxy(0,−5)2=2×(−2)−02<0g_{xx}(0,-5)g_{yy}(0,-5)-g_{xy}(0,-5)^2=2\times(-2)-0^2<0 이므로 이 임계점은 안장점이다.

(b) 극값은 영역의 경계 위에 있거나 영역의 내부에 있어야 한다.

  • 경계 중 반타원 부분에서는 −2≤y≤0-2\le y\le 0 이고 x2+4y2=16x^2+4y^2=16 이므로 g=x2−10y−y2=16−10y−5y2=21−5(y+1)2g=x^2-10y-y^2=16-10y-5y^2=21-5(y+1)^2 이다. 이 값은 최솟값 16 (y=0,−2y=0,-2 일 때)과 최댓값 21 (y=−1y=-1 일 때)을 가진다. 16−10y−5y216-10y-5y^2 의 임계점(즉 ddy(16−10y−5y2)=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}(16-10y-5y^2)=0 을 푼 값)을 확인하고 허용된 구간의 양 끝점(곧 y=0y=0 과 y=−2y=-2)을 확인해도 같은 결론에 이를 수 있다.
  • 경계 중 평평한 부분에서는 y=0y=0 이고 −4≤x≤4-4\le x\le 4 이므로 g=x2g=x^2 이다. 최솟값은 x=0x=0 일 때 00 이고 최댓값은 x=±4x=\pm 4 일 때 1616 이다.
  • 극값이 판의 내부에 있다면 그 점은 g(x,y)g(x,y) 의 임계점이어야 한다. 유일한 임계점은 주어진 영역 안에 있지 않다.

다음은 극값의 모든 후보를 나타낸 표이다.

(x,y)g(x,y)(0,−2)16(±4,0)16(±12,−1)21(0,0)0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (0,-2) & 16 \\ \hline (\pm 4,0) & 16 \\ \hline (\pm \sqrt{12},-1) & 21 \\ \hline (0,0) & 0 \\ \hline \end{array}

표에서 gg 의 최솟값은 (0,0)(0,0) 에서 00 이고 최댓값은 (±23,−1)(\pm 2\sqrt{3},-1) 에서 2121 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We have

g(x,y)=x2−10y−y2gx(x,y)=2xgxx(x,y)=2gy(x,y)=−10−2ygyy(x,y)=−2gxy(x,y)=0\begin{aligned} g(x,y)&=x^2-10y-y^2 \qquad& g_x(x,y)&=2x \qquad& g_{xx}(x,y)&=2\\ & & g_y(x,y)&=-10-2y\qquad & g_{yy}(x,y)&=-2 \\ & & & &g_{xy}(x,y)&=0 \end{aligned}

At a critical point

gx(x,y)=gy(x,y)=0  ⟺  2x=0 and −10−2y=0  ⟺  (x,y)=(0,−5)\begin{aligned} g_x(x,y)=g_y(x,y)=0 \iff 2x=0\text{ and }-10-2y=0 \iff (x,y)=(0,-5) \end{aligned}

Since gxx(0,−5)gyy(0,−5)−gxy(0,−5)2=2×(−2)−02<0g_{xx}(0,-5)g_{yy}(0,-5)-g_{xy}(0,-5)^2=2\times(-2)-0^2<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≤0-2\le y\le 0 and x2+4y2=16x^2+4y^2=16 so that g=x2−10y−y2=16−10y−5y2=21−5(y+1)2g=x^2-10y-y^2=16-10y-5y^2=21-5(y+1)^2. This has a minimum value of 16 (at y=0,−2y=0,-2) and a maximum value of 21 (at y=−1y=-1). You could also come to this conclusion by checking the critical point of 16−10y−5y216-10y-5y^2 (i.e. solving ddy(16−10y−5y2)=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}(16-10y-5y^2)=0) and checking the end points of the allowed interval (namely y=0y=0 and y=−2y=-2).
  • On the flat part of the boundary y=0y=0 and −4≤x≤4-4\le x\le 4 so that g=x2g=x^2. The smallest value is taken when x=0x=0 and is 00 and the largest value is taken when x=±4x=\pm 4 and is 1616.
  • If an extremum is in the interior of the plate, it must be at a critical point of g(x,y)g(x,y). The only critical point is not in the prescribed region.

Here is a table giving all candidates for extrema:

(x,y)g(x,y)(0,−2)16(±4,0)16(±12,−1)21(0,0)0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (0,-2) & 16 \\ \hline (\pm 4,0) & 16 \\ \hline (\pm \sqrt{12},-1) & 21 \\ \hline (0,0) & 0 \\ \hline \end{array}

From the table the smallest value of gg is 00 at (0,0)(0,0) and the largest value is 2121 at (±23,−1)(\pm 2\sqrt{3},-1).

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 17번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
45.CLP-3 · 2.9절 · 28번대학 수준우리말 번역

다음 함수의 임계점을 모두 구하고 분류하세요. f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2f(x,y)=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2

영어 원문 보기

Find and classify all critical points of f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2f(x,y)=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2

정답·풀이 보기

다음과 같다.

f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2fx(x,y)=3x2−3y2−6xfxx(x,y)=6x−6fy(x,y)=−6xy−6yfyy(x,y)=−6x−6fxy(x,y)=−6y\begin{aligned} f(x,y)&=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2\qquad & f_x(x,y)&=3x^2-3y^2-6x\qquad & f_{xx}(x,y)&=6x-6 \\ & & f_y(x,y)&=-6xy-6y & f_{yy}(x,y)&=-6x-6 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-6y \end{aligned}

임계점에서

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  3(x2−y2−2x)=0 그리고 −6y(x+1)=0  ⟺  {x=−1 또는 y=0} 그리고 x2−y2−2x=0  ⟺  (x,y)=(−1,3) 또는 (−1,−3) 또는 (0,0) 또는 (2,0)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff 3(x^2-y^2-2x)=0\text{ 그리고 }-6y(x+1)=0 \\ &\iff \{x=-1\text{ 또는 }y=0\}\text{ 그리고 }x^2-y^2-2x=0 \\ &\iff (x,y)=(-1,\sqrt{3})\text{ 또는 }(-1,-\sqrt{3})\text{ 또는 }(0,0) \text{ 또는 }(2,0) \end{aligned}

네 임계점 각각의 분류를 나타낸 표는 다음과 같다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(0,0)(−6)×(−6)−02>0−6극대(2,0)6×(−18)−02<0안장점(−1,3)(−12)×0−(−63)2<0안장점(−1,−3)(−12)×0−(63)2<0안장점\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{임계}}{\text{점}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{종류} \\ \hline (0,0) & (-6)\times(-6)-0^2>0 & -6 & \text{극대} \\ \hline (2,0) & 6\times(-18)-0^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (-1,\sqrt{3}) & (-12)\times0-(-6\sqrt{3})^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (-1,-\sqrt{3}) & (-12)\times 0-(6\sqrt{3})^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline \end{array}

원본 교재 풀이(영어)

We have

f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2fx(x,y)=3x2−3y2−6xfxx(x,y)=6x−6fy(x,y)=−6xy−6yfyy(x,y)=−6x−6fxy(x,y)=−6y\begin{aligned} f(x,y)&=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2\qquad & f_x(x,y)&=3x^2-3y^2-6x\qquad & f_{xx}(x,y)&=6x-6 \\ & & f_y(x,y)&=-6xy-6y & f_{yy}(x,y)&=-6x-6 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-6y \end{aligned}

At a critical point

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  3(x2−y2−2x)=0 and −6y(x+1)=0  ⟺  {x=−1 or y=0} and x2−y2−2x=0  ⟺  (x,y)=(−1,3) or (−1,−3) or (0,0) or (2,0)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff 3(x^2-y^2-2x)=0\text{ and }-6y(x+1)=0 \\ &\iff \{x=-1\text{ or }y=0\}\text{ and }x^2-y^2-2x=0 \\ &\iff (x,y)=(-1,\sqrt{3})\text{ or }(-1,-\sqrt{3})\text{ or }(0,0) \text{ or }(2,0) \end{aligned}

Here is a table giving the classification of each of the four critical points.

criticalpointfxxfyy−fxy2fxxtype(0,0)(−6)×(−6)−02>0−6local max(2,0)6×(−18)−02<0saddle point(−1,3)(−12)×0−(−63)2<0saddle point(−1,−3)(−12)×0−(63)2<0saddle point\begin{array}{|c|c|c|c|}\hline \genfrac{}{}{0pt}{}{\text{critical}}{\text{point}} & f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 & f_{xx} & \text{type} \\ \hline (0,0) & (-6)\times(-6)-0^2>0 & -6 & \text{local max} \\ \hline (2,0) & 6\times(-18)-0^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (-1,\sqrt{3}) & (-12)\times0-(-6\sqrt{3})^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline (-1,-\sqrt{3}) & (-12)\times 0-(6\sqrt{3})^2<0 & & \text{saddle point} \\ \hline \end{array}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 30번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
46.CLP-3 · 2.9절 · 29번대학 수준우리말 번역

사분원 D={ (x,y) ∣ x2+y2≤4, x≥0, y≥0 }D = \big\{ \ (x, y)\ \big|\ x^2 + y^2 \le 4,\ x\ge0,\ y\ge 0\ \big\} 에서

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

의 최댓값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the maximum value of

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

on the quarter-circle D={ (x,y) ∣ x2+y2≤4, x≥0, y≥0 }D = \big\{ \ (x, y)\ \big|\ x^2 + y^2 \le 4,\ x\ge0,\ y\ge 0\ \big\}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

최댓값은 DD 의 경계 위에 있거나 DD 의 내부에 있어야 한다.

  • 경계 중 원호 부분 r=2r=2 에서는 (극좌표에서) 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2} 이므로 f=r2cos⁡θsin⁡θe−r2/2=2sin⁡(2θ)e−2f=r^2\cos\theta\sin\theta e^{-r^2/2}=2\sin(2\theta)e^{-2} 이다. 이 함수는 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 즉 x=y=2x=y=\sqrt{2} 에서 최댓값 2e−22e^{-2} 을 갖는다.
  • 경계의 평평한 두 부분에서는 x=0x=0 또는 y=0y=0 이므로 f=0f=0 이다.
  • 최댓값이 DD 의 내부에 있다면 그 점은 f(x,y)f(x,y) 의 임계점이어야 한다.

fx(x,y)=e−(x2+y2)/2[y−x2y]fy(x,y)=e−(x2+y2)/2[x−xy2]\begin{aligned} f_x(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[y-x^2y\big]\qquad f_y(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[x-xy^2\big] \end{aligned}

이므로, (x,y)(x,y) 가 임계점일 필요충분조건은

y(1−x2)=0 그리고 x(1−y2)=0  ⟺  {y=0 또는 x=1 또는 x=−1} 그리고 {x=0 또는 y=1 또는 y=−1}\begin{aligned} &y(1-x^2)=0\text{ 그리고 }x(1-y^2)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ 또는 }x=1\text{ 또는 }x=-1\}\text{ 그리고 } \{x=0\text{ 또는 }y=1\text{ 또는 }y=-1\} \end{aligned}

이다. x,y≥0x,y\ge 0 인 임계점은 (0,0)(0,0) 과 (1,1)(1,1) 의 두 개이다. 이 중 앞의 것은 DD 의 경계 위에 있고 뒤의 것은 DD 의 내부에 있다.

다음은 최댓값의 모든 후보를 나타낸 표이다.

(x,y)g(x,y)(2,2)2e−2≈0.271(x,0)0(0,y)0(1,1)e−1≈0.368\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (\sqrt{2},\sqrt{2}) & 2e^{-2}\approx0.271 \\ \hline (x,0) & 0 \\ \hline (0,y) & 0 \\ \hline (1,1) & e^{-1}\approx0.368 \\ \hline \end{array}

e>2e>2 이므로 2e−2=e−12e<e−12e^{-2}=e^{-1}\frac{2}{e}<e^{-1} 이고, 따라서 가장 큰 값은 e−1e^{-1} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The maximum must be either on the boundary of DD or in the interior of DD.

  • On the circular part of the boundary r=2r=2, 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2} (in polar coordinates) so that f=r2cos⁡θsin⁡θe−r2/2=2sin⁡(2θ)e−2f=r^2\cos\theta\sin\theta e^{-r^2/2}=2\sin(2\theta)e^{-2}. This has a maximum value of 2e−22e^{-2} at θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} or x=y=2x=y=\sqrt{2}.
  • On the two flat parts of the boundary x=0x=0 or y=0y=0 so that f=0f=0.
  • If the maximum is in the interior of DD, it must be at a critical point of f(x,y)f(x,y). Since

fx(x,y)=e−(x2+y2)/2[y−x2y]fy(x,y)=e−(x2+y2)/2[x−xy2]\begin{aligned} f_x(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[y-x^2y\big]\qquad f_y(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[x-xy^2\big] \end{aligned}

(x,y)(x,y) is a critical point if and only if

y(1−x2)=0 and x(1−y2)=0  ⟺  {y=0 or x=1 or x=−1} and {x=0 or y=1 or y=−1}\begin{aligned} &y(1-x^2)=0\text{ and }x(1-y^2)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ or }x=1\text{ or }x=-1\}\text{ and } \{x=0\text{ or }y=1\text{ or }y=-1\} \end{aligned}

There are two critical points with x,y≥0x,y\ge 0, namely (0,0)(0,0) and (1,1)(1,1). The first of these is on the boundary of DD and the second is in the interior of DD.

Here is a table giving all candidates for the maximum:

(x,y)g(x,y)(2,2)2e−2≈0.271(x,0)0(0,y)0(1,1)e−1≈0.368\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (\sqrt{2},\sqrt{2}) & 2e^{-2}\approx0.271 \\ \hline (x,0) & 0 \\ \hline (0,y) & 0 \\ \hline (1,1) & e^{-1}\approx0.368 \\ \hline \end{array}

Since e>2e>2, we have that 2e−2=e−12e<e−12e^{-2}=e^{-1}\frac{2}{e}<e^{-1} and the largest value is e−1e^{-1}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 28번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
47.CLP-3 · 2.9절 · 30번대학 수준우리말 번역

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 xx 만큼 떨어진 곳을 꺾고, 꺾은 각이 θ\theta 라고 하자. 우리의 개략도는 다음과 같다.

그림

이 우리는 두 변의 길이가 100−2x100-2x 와 xsin⁡θx\sin\theta 인 직사각형과, 높이가 xsin⁡θx\sin\theta 이고 밑변의 길이가 xcos⁡θx\cos\theta 인 두 삼각형으로 이루어진다. 따라서 우리의 넓이는 다음과 같다.

A(x,θ)=(100−2x)xsin⁡θ+2⋅12⋅xsin⁡θ⋅xcos⁡θ=(100x−2x2)sin⁡θ+12x2sin⁡(2θ)\begin{aligned} A(x,\theta)&=(100-2x)x\sin\theta+2\cdot\tfrac{1}{2}\cdot x\sin\theta\cdot x\cos\theta\\ &=(100x-2x^2)\sin\theta+\tfrac{1}{2} x^2\sin(2\theta) \end{aligned}

넓이를 최대로 하려면 다음을 풀어야 한다.

0=Ax=(100−4x)sin⁡θ+xsin⁡(2θ)  ⟹  (100−4x)+2xcos⁡θ=00=Aθ=(100x−2x2)cos⁡θ+x2cos⁡(2θ)  ⟹  (100−2x)cos⁡θ+xcos⁡(2θ)=0\begin{aligned} 0=A_x&=(100-4x)\sin\theta+x\sin(2\theta) & &\implies & (100-4x)+2x\cos\theta&=0\\ 0=A_\theta&=(100x-2x^2)\cos\theta+x^2\cos(2\theta)\quad & &\implies\quad & (100-2x)\cos\theta+x\cos(2\theta)&=0 \end{aligned}

여기서 넓이가 최대인 울타리는 sin⁡θ=0\sin\theta=0 또는 x=0x=0 일 수 없음을 이용했는데, 이 두 경우 중 어느 쪽이든 둘러싼 넓이가 0이 되기 때문이다. 첫 번째 식에서 cos⁡θ=−100−4x2x\cos\theta=-\frac{100-4x}{2x} 이고, 따라서 cos⁡(2θ)=2cos⁡2θ−1=(100−4x)22x2−1\cos(2\theta)=2\cos^2\theta-1=\frac{(100-4x)^2}{2x^2}-1 이다. 이를 두 번째 식에 대입하면 다음을 얻는다.

−(100−2x)100−4x2x+x[(100−4x)22x2−1]=0  ⟹  −(100−2x)(100−4x)+(100−4x)2−2x2=0  ⟹  6x2−200x=0  ⟹  x=1003cos⁡θ=−−100/3200/3=12θ=60∘A=(1001003−2100232)32+1210023232=25003\begin{aligned} & & -(100-2x)\frac{100-4x}{2x}+x\Big[\frac{(100-4x)^2}{2x^2}-1\Big]&=0 \\ &\implies & -(100-2x)(100-4x)+(100-4x)^2-2x^2&=0 \\ &\implies & 6x^2-200x&=0 \\ &\implies & x=\frac{100}{3} \quad\cos\theta=-\frac{-100/3}{200/3}=\frac{1}{2}\quad \theta&=60^\circ\\ & & A= \left(100\frac{100}{3}-2\frac{100^2}{3^2}\right) \frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{1}{2} \frac{100^2}{3^2}\frac{\sqrt{3}}{2} &=\frac{2500}{\sqrt{3}} \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that the bends are made a distance xx from the ends of the fence and that the bends are through an angle θ\theta. Here is a sketch of the enclosure.

figure

It consists of a rectangle, with side lengths 100−2x100-2x and xsin⁡θx\sin\theta, together with two triangles, each of height xsin⁡θx\sin\theta and base length xcos⁡θx\cos\theta. So the enclosure has area

A(x,θ)=(100−2x)xsin⁡θ+2⋅12⋅xsin⁡θ⋅xcos⁡θ=(100x−2x2)sin⁡θ+12x2sin⁡(2θ)\begin{aligned} A(x,\theta)&=(100-2x)x\sin\theta+2\cdot\tfrac{1}{2}\cdot x\sin\theta\cdot x\cos\theta\\ &=(100x-2x^2)\sin\theta+\tfrac{1}{2} x^2\sin(2\theta) \end{aligned}

The maximize the area, we need to solve

0=Ax=(100−4x)sin⁡θ+xsin⁡(2θ)  ⟹  (100−4x)+2xcos⁡θ=00=Aθ=(100x−2x2)cos⁡θ+x2cos⁡(2θ)  ⟹  (100−2x)cos⁡θ+xcos⁡(2θ)=0\begin{aligned} 0=A_x&=(100-4x)\sin\theta+x\sin(2\theta) & &\implies & (100-4x)+2x\cos\theta&=0\\ 0=A_\theta&=(100x-2x^2)\cos\theta+x^2\cos(2\theta)\quad & &\implies\quad & (100-2x)\cos\theta+x\cos(2\theta)&=0 \end{aligned}

Here we have used that the fence of maximum area cannot have sin⁡θ=0\sin\theta=0 or x=0x=0, because in either of these two cases, the area enclosed will be zero. The first equation forces cos⁡θ=−100−4x2x\cos\theta=-\frac{100-4x}{2x} and hence cos⁡(2θ)=2cos⁡2θ−1=(100−4x)22x2−1\cos(2\theta)=2\cos^2\theta-1=\frac{(100-4x)^2}{2x^2}-1. Substituting these into the second equation gives

−(100−2x)100−4x2x+x[(100−4x)22x2−1]=0  ⟹  −(100−2x)(100−4x)+(100−4x)2−2x2=0  ⟹  6x2−200x=0  ⟹  x=1003cos⁡θ=−−100/3200/3=12θ=60∘A=(1001003−2100232)32+1210023232=25003\begin{aligned} & & -(100-2x)\frac{100-4x}{2x}+x\Big[\frac{(100-4x)^2}{2x^2}-1\Big]&=0 \\ &\implies & -(100-2x)(100-4x)+(100-4x)^2-2x^2&=0 \\ &\implies & 6x^2-200x&=0 \\ &\implies & x=\frac{100}{3} \quad\cos\theta=-\frac{-100/3}{200/3}=\frac{1}{2}\quad \theta&=60^\circ\\ & & A= \left(100\frac{100}{3}-2\frac{100^2}{3^2}\right) \frac{\sqrt{3}}{2}+\frac{1}{2} \frac{100^2}{3^2}\frac{\sqrt{3}}{2} &=\frac{2500}{\sqrt{3}} \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 31번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류
48.CLP-3 · 2.9절 · 31번대학 수준우리말 번역

부피가 VV 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 VV and that has no top.

정답·풀이 보기

상자의 각 모서리의 길이를 xx, yy, zz 라고 하자. 그림은 다음과 같다.

그림

상자의 부피가 VV 이어야 하므로 V=xyzV=xyz 이어야 한다. 옆면 네 개와 밑면의 넓이 A=xy+2yz+2xzA=xy+2yz+2xz 를 최소로 만들려고 한다. z=Vxyz=\frac{V}{xy} 를 대입하면

A=xy+2Vx+2VyAx=y−2Vx2Ay=x−2Vy2\begin{aligned} A&=xy+2\frac{V}{x}+2\frac{V}{y}\\ A_x&=y-2\frac{V}{x^2}\\ A_y&=x-2\frac{V}{y^2} \end{aligned}

최소가 되려면 Ax=Ay=0A_x=A_y=0 이어야 하며, 이는 yx2=2V, xy2=2Vyx^2=2V,\ xy^2=2V 일 때이다. 따라서 yx2=xy2yx^2=xy^2 이다. V=xyzV=xyz 가 0이 아니므로 xx 와 yy 는 어느 쪽도 0이 될 수 없다. 그러므로 x=y=(2V)1/3x=y=(2V)^{1/3}, z=2−2/3V1/3z=2^{-2/3}V^{1/3} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

Suppose that the box has side lengths xx, yy and zz. Here is a sketch.

figure

Because the box has to have volume VV we need that V=xyzV=xyz. We wish to minimize the area A=xy+2yz+2xzA=xy+2yz+2xz of the four sides and bottom. Substituting in z=Vxyz=\frac{V}{xy},

A=xy+2Vx+2VyAx=y−2Vx2Ay=x−2Vy2\begin{aligned} A&=xy+2\frac{V}{x}+2\frac{V}{y}\\ A_x&=y-2\frac{V}{x^2}\\ A_y&=x-2\frac{V}{y^2} \end{aligned}

To minimize, we want Ax=Ay=0A_x=A_y=0, which is the case when yx2=2V, xy2=2Vyx^2=2V,\ xy^2=2V. This forces yx2=xy2yx^2=xy^2. Since V=xyzV=xyz is nonzero, neither xx nor yy may be zero. So x=y=(2V)1/3x=y=(2V)^{1/3}, z=2−2/3V1/3z=2^{-2/3}V^{1/3}.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-3 · 2.9절 · 32번
# 극값과 안장점계산보통자동 분류