문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 미분

최댓값·최솟값과 최적화

먼저 혼자 풀어 보고, 풀이로 확인한 다음, 아래 「한 번 더」 문제로 이어서 연습하세요.

Active Calculus · 3.6절 · 9번우리말 번역

정사각형 밑면과 닫힌 윗면을 가진 직육면체 상자를 두 가지 재료로 만들려고 합니다. 옆면의 재료는 제곱피트당 $1.50이고, 윗면과 밑면의 재료는 제곱피트당 $3.00입니다. 상자에 $15를 쓸 수 있다면, 상자에 담을 수 있는 가장 큰 부피는 얼마입니까? 미적분을 사용하여 답을 완전히 정당화하세요.

영어 원문 보기

A rectangular box with a square bottom and closed top is to be made from two materials. The material for the sides costs $1.50 per square foot and the material for the top and bottom costs $3.00 per square foot. If you are willing to spend $15 on the box, what is the largest volume it can contain? Justify your answer completely using calculus.

정답·풀이 보기

xx 를 정사각형 밑면의 한 변의 길이, hh 를 옆면의 높이라고 하자. 먼저 상자의 부피 VV 는 V=x2hV = x^2 h 이고, 상자의 겉넓이는 S=2x2+4xhS = 2x^2 + 4xh 임에 주목한다. 넓이가 x2x^2 인 정사각형 면이 두 개(밑면과 윗면) 있고, 넓이가 xhxh 인 똑같은 옆면이 네 개 있기 때문이다. 윗면과 밑면의 재료는 제곱피트당 $3.00이고 옆면의 재료는 제곱피트당 $1.50이므로, 겉넓이가 SS 인 상자의 총비용은

C=3.00(2x2)+1.50(4xh)=6x2+6xh C = 3.00 (2x^2) + 1.50 (4xh) = 6x^2 + 6xh\,

이다.

우리는 $15를 들여 만들 수 있는 부피가 가장 큰 상자에 관심이 있다. 이 비용 조건에 의해

15=6x2+6xh 15 = 6x^2 + 6xh\, 이고, 이를 hh 에 대해 풀면 hh 를 xx 의 함수로 나타낼 수 있다. 그렇게 하면 6xh=15−6x26xh = 15 - 6x^2 이므로

h=15−6x26x h = \frac{15-6x^2}{6x}\,

이다. 이 관계를 이용하면 상자의 부피 VV 를 변수 xx 하나의 함수로 나타낼 수 있다. hh 의 식을 대입하면

V=x2h=x2⋅15−6x26x=16x(15−6x2)=156x−x3 V = x^2 h = x^2 \cdot \frac{15-6x^2}{6x} = \frac{1}{6}x(15 - 6x^2) = \frac{15}{6}x - x^3\,

이다. 특히 상자가 만들어지려면 x>0x > 0 이고 h>0h > 0 이어야 함에 유의한다. 뒤의 조건과 h=15−6x26xh = \frac{15-6x^2}{6x} 로부터 15−6x2>015 - 6x^2 > 0 이어야 하므로 x2<156x^2 < \frac{15}{6}, 즉 x<156x < \sqrt{\frac{15}{6}} 이다. 따라서 V(x)V(x) 의 정의역은 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}} 이다.

x→0+x \to 0^+ 또는 x→156−x \to \sqrt{\frac{15}{6}}^- 일 때 상자는 사라지고(부피는 0에 가까워지고), 따라서 최댓값은 이 두 값 사이의 임계수에서 나타나야 함이 분명하다. VV 를 미분하면 V′(x)=156−3x2V'(x) = \frac{15}{6} - 3x^2 이다. 정의역에서 VV 의 모든 임계수를 찾기 위해 V′(x)=0V'(x) = 0 을 풀면 x2=1518x^2 = \frac{15}{18} 이고, 따라서 x=±1518x = \pm \sqrt{\frac{15}{18}} 이므로 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}} 에 속하는 임계수는 x=1518x = \sqrt{\frac{15}{18}} 뿐이다. 최솟값 V=0V = 0 이 양 끝점에서 나타나므로, 최댓값은 V(1518)=156(1518)−(1518)3≈1.52145V\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) = \frac{15}{6}\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) - \left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right)^3 \approx 1.52145 세제곱피트이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let xx be the length of one side of the square bottom and hh the height of one of the sides. We first note that the volume, VV, of the box is V=x2hV = x^2 h, and the surface area of the box is S=2x2+4xhS = 2x^2 + 4xh, since there are two square sides (bottom and top) of area x2x^2 and four identical sides of area xhxh. Since the material for the top and bottom costs $3.00 per square foot and the material for the sides costs $1.50 per square foot, it follows that the total cost of a box with surface area SS is

C=3.00(2x2)+1.50(4xh)=6x2+6xh .C = 3.00 (2x^2) + 1.50 (4xh) = 6x^2 + 6xh\,.

We are interested in building box of largest volume for which we spend $15. This cost constraint implies that

15=6x2+6xh ,15 = 6x^2 + 6xh\,, which allows us to express hh as a function of xx by solving for hh. Doing so, we see that 6xh=15−6x26xh = 15 - 6x^2, so

h=15−6x26x .h = \frac{15-6x^2}{6x}\,. Using this relationship, we are now able to express the volume, VV, of the box as a function of the single variable xx. Subsituting the expression for hh, we have

V=x2h=x2⋅15−6x26x=16x(15−6x2)=156x−x3 .V = x^2 h = x^2 \cdot \frac{15-6x^2}{6x} = \frac{1}{6}x(15 - 6x^2) = \frac{15}{6}x - x^3\,. Note particularly that in order to have a box, we require that both x>0x > 0 and h>0h > 0. The latter condition along with the fact that h=15−6x26xh = \frac{15-6x^2}{6x} shows that we need 15−6x2>015 - 6x^2 > 0, and thus x2<156x^2 < \frac{15}{6}, so x<156x < \sqrt{\frac{15}{6}}. Hence we are considering V(x)V(x) on the domain 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}}.

It is apparent that the box vanishes (and its volume tends to zero) as either x→0+x \to 0^+ or x→156−x \to \sqrt{\frac{15}{6}}^-, and thus the absolute maximum volume must appear between these values at a critical number. Differentiating VV, we find that V′(x)=156−3x2V'(x) = \frac{15}{6} - 3x^2. Solving V′(x)=0V'(x) = 0 to find all critical numbers of VV in the domain, we see that x2=1518x^2 = \frac{15}{18}, and thus x=±1518x = \pm \sqrt{\frac{15}{18}}, so only x=1518x = \sqrt{\frac{15}{18}} is a critical number that lies in 0<x<1560 < x < \sqrt{\frac{15}{6}}. Noting that the absolute minimum volume V=0V = 0 occurs at each endpoint, it must be the case that the absolute maximum volume is V(1518)=156(1518)−(1518)3≈1.52145V\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) = \frac{15}{6}\left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right) - \left( \sqrt{\frac{15}{18}} \right)^3 \approx 1.52145 cubic feet.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-1 · 3.5절 · 4번우리말 번역

f(x)=x2+6x−10f(x)=x^2+6x-10 이다. 구간 [−5,5][-5,5] 에서 최댓값과 최솟값을 모두 구하세요.

다 풀었으면 정답 확인

최댓값과 최솟값은 구간 (−5,5)(-5,5) 안의 임계점이나 특이점, 또는 끝점 x=5, x=−5x=5,\,x=-5 에서 나타난다.

f′(x)=2x+6f'(x)=2x+6 이다. 이는 모든 실수에서 정의되므로 특이점은 없다. f′(x)=0f'(x)=0 인 경우는 x=−3x=-3 일 때뿐이다. 이 값은 구간 [−5,5][-5,5] 안에 있다. 따라서 확인할 점은 x=−3, x=−5x=-3,\,x=-5, 그리고 x=5x=5 이다.

c−3−55종류임계점끝점끝점f(c)−19−1545\begin{array}{|c||c|c|c|}\hline c & -3 & -5 & 5 \\ \hline \text{종류} & \text{임계점} & \text{끝점} & \text{끝점} \\ \hline f(c) & -19 & -15 & 45 \\ \hline \end{array}

최댓값은 x=5x=5 에서 45 이고, 최솟값은 x=−3x=-3 에서 −19-19 이다.

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# 최댓값·최솟값과 최적화증명·논술자동 분류
Active Calculus CC BY-SA우리말 번역: 빌드라인 스쿨 — AI 번역·자동 검토(원문과 같은 조건)

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