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 · 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 문제OpenStax 3권 · 4.7절 · 2번우리말 번역

다음 문제에서 모든 임계점을 구하세요.

f(x,y)=(3x−2)2+(y−4)2f(x,y)={(3x-2)}^{2}+{(y-4)}^{2}

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(23,4)\left(\frac{2}{3},4\right)

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