문제 은행 · 미적분 · 대학 미적분 · 다변수 미분

극값과 안장점

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

CLP-3 · 2.9절 · 8번대학 수준우리말 번역

평면 2x+y+z=52x + y + z = 5 중에서 x≥0x \ge 0, y≥0y \ge 0, z≥0z \ge 0 인 부분에서 x2y2zx^2 y^2 z 의 최댓값과 최솟값을 구하세요. 또한 그 극값이 나타나는 모든 점을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the largest and smallest values of x2y2zx^2 y^2 z in the part of the plane 2x+y+z=52x + y + z = 5 where x≥0x \ge 0, y≥0y \ge 0 and z≥0z \ge 0. Also find all points where those extreme values occur.

정답·풀이 보기

생각하는 영역은 다음과 같다.

D={ (x,y,z) ∣ x≥0, y≥0, z≥0, 2x+y+z=5 }D=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x\ge 0,\ y\ge 0,\ z\ge 0,\ 2x+y+z=5\ \big\}

먼저 이 영역의 경계에서는 xx, yy, zz 중 적어도 하나가 0 임에 주목한다. 따라서 f(x,y,z)=x2y2zf(x,y,z)=x^2 y^2 z 는 경계에서 0 이다. DD 의 경계가 아닌 모든 점에서 ff 의 값은 0 보다 크므로, ff 의 최솟값은 00 이고 그 값은 다음 집합의 모든 점에서 나타난다.

∂D={ (x,y,z) ∣ x≥0, y≥0, z≥0, 2x+y+z=5, x,y,z 중 적어도 하나는 0 }\partial D = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x\ge 0,\ y\ge 0,\ z\ge 0,\ 2x+y+z=5,\ \text{$x,y,z$ 중 적어도 하나는 0}\ \big\}

ff 의 최댓값은 임계점에서 나타난다. DD 위에서

f=x2y2(5−2x−y)=5x2y2−2x3y2−x2y3\begin{aligned} f &= x^2 y^2 (5-2x-y) =5x^2 y^2 - 2x^3 y^2 -x^2 y^3 \end{aligned}

이므로 임계점은 다음 연립방정식의 해이다.

0=fx(x,y)=10xy2−6x2y2−2xy30=fy(x,y)=10x2y−4x3y−3x2y2\begin{aligned} 0&=f_x(x,y) = 10xy^2 -6x^2y^2 -2xy^3 \\ 0&=f_y(x,y) = 10x^2y -4x^3y -3x^2y^2 \end{aligned}

첫째 식을 xy2xy^2 으로, 둘째 식을 x2yx^2y 로 나누면 (x,y≠0x,y\ne 0 임을 기억한다)

10−6x−2y=0또는3x+y=510−4x−3y=0또는4x+3y=10\begin{aligned} 10 -6x -2y &=0 &\qquad\text{또는}\qquad 3x+y&=5 \\ 10 -4x -3y &=0 &\qquad\text{또는}\qquad 4x+3y&=10 \end{aligned}

첫째 식에서 얻은 y=5−3xy=5-3x 를 둘째 식에 대입하면

4x+3(5−3x)=10  ⟹  −5x+15=10  ⟹  x=1, y=5−3(1)=24x+3(5-3x)=10 \implies -5x +15 =10 \implies x=1,\ y=5-3(1)=2

따라서 ff 의 최댓값은 (1,2,1)(1,2,1) 에서 (1)2(2)2(5−2−2)=4(1)^2(2)^2(5-2-2)=4 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The region of interest is

D={ (x,y,z) ∣ x≥0, y≥0, z≥0, 2x+y+z=5 }D=\big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x\ge 0,\ y\ge 0,\ z\ge 0,\ 2x+y+z=5\ \big\}

First observe that, on the boundary of this region, at least one of xx, yy and zz is zero. So f(x,y,z)=x2y2zf(x,y,z)=x^2 y^2 z is zero on the boundary. As ff takes values which are strictly bigger than zero at all points of DD that are not on the boundary, the minimum value of ff is 00 on

∂D={ (x,y,z) ∣ x≥0, y≥0, z≥0, 2x+y+z=5, at least one of x,y,z zero }\partial D = \big\{ \ (x,y,z)\ \big|\ x\ge 0,\ y\ge 0,\ z\ge 0,\ 2x+y+z=5,\ \text{at least one of $x,y,z$ zero}\ \big\}

The maximum value of ff will be taken at a critical point. On DD

f=x2y2(5−2x−y)=5x2y2−2x3y2−x2y3\begin{aligned} f &= x^2 y^2 (5-2x-y) =5x^2 y^2 - 2x^3 y^2 -x^2 y^3 \end{aligned}

So the critical points are the solutions of

0=fx(x,y)=10xy2−6x2y2−2xy30=fy(x,y)=10x2y−4x3y−3x2y2\begin{aligned} 0&=f_x(x,y) = 10xy^2 -6x^2y^2 -2xy^3 \\ 0&=f_y(x,y) = 10x^2y -4x^3y -3x^2y^2 \end{aligned}

or, dividing by the first equation by xy2xy^2 and the second equation by x2yx^2y, (recall that x,y≠0x,y\ne 0)

10−6x−2y=0or3x+y=510−4x−3y=0or4x+3y=10\begin{aligned} 10 -6x -2y &=0 &\qquad\text{or}\qquad 3x+y&=5 \\ 10 -4x -3y &=0 &\qquad\text{or}\qquad 4x+3y&=10 \end{aligned}

Substituting y=5−3xy=5-3x, from the first equation, into the second equation gives

4x+3(5−3x)=10  ⟹  −5x+15=10  ⟹  x=1, y=5−3(1)=24x+3(5-3x)=10 \implies -5x +15 =10 \implies x=1,\ y=5-3(1)=2

So the maximum value of ff is (1)2(2)2(5−2−2)=4(1)^2(2)^2(5-2-2)=4 at (1,2,1)(1,2,1).

한 번 더 — 비슷한 문제OpenStax 3권 · 4.7절 · 30번우리말 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

다 풀었으면 정답 확인

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

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