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 · 17번대학 수준우리말 번역

직사각형 영역

R={ (x,y) ∣ −1≤x≤3, −1≤y≤1 }R = \big\{ \ (x, y)\ \big|\ -1 \le x \le 3,\ -1 \le y \le 1\ \big\}

에서 함수 f(x,y)=5+2x−x2−4y2f(x, y) = 5 + 2x - x^2 - 4y^2 의 최댓값과 최솟값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the absolute maximum and minimum values of the function f(x,y)=5+2x−x2−4y2f(x, y) = 5 + 2x - x^2 - 4y^2 on the rectangular region

R={ (x,y) ∣ −1≤x≤3, −1≤y≤1 }R = \big\{ \ (x, y)\ \big|\ -1 \le x \le 3,\ -1 \le y \le 1\ \big\}

정답·풀이 보기

최댓값과 최솟값은 임계점에서 나타나거나 RR 의 경계에서 나타난다.

  • 임계점은 다음 연립방정식의 해이다.

0=fx(x,y)=2−2x0=fy(x,y)=−8y\begin{aligned} 0&=f_x(x,y) = 2-2x \\ 0&=f_y(x,y) = -8y \\ \end{aligned}

따라서 임계점은 (1,0)(1,0) 하나뿐이다.

  • RR 의 경계 중 변 x=−1x=-1, −1≤y≤1-1\le y\le 1 위에서

f(−1,y)=2−4y2f(-1,y) = 2-4y^2

이 함수는 ∣y∣|y| 가 커질수록 감소한다. 따라서 −1≤y≤1-1\le y\le 1 에서 최댓값은 y=0y=0 일 때, 최솟값은 y=±1y=\pm 1 일 때 나타난다.

  • RR 의 경계 중 변 x=3x=3, −1≤y≤1-1\le y\le 1 위에서

f(3,y)=2−4y2f(3,y) = 2-4y^2

이 함수는 ∣y∣|y| 가 커질수록 감소한다. 따라서 −1≤y≤1-1\le y\le 1 에서 최댓값은 y=0y=0 일 때, 최솟값은 y=±1y=\pm 1 일 때 나타난다.

  • RR 의 경계 중 두 변 y=±1y=\pm 1, −1≤x≤3-1\le x\le 3 위에서

f(x,±1)=1+2x−x2=2−(x−1)2f(x,\pm 1) = 1+2x-x^2 = 2 -(x-1)^2

이 함수는 ∣x−1∣|x-1| 이 커질수록 감소한다. 따라서 −1≤x≤3-1\le x\le 3 에서 최댓값은 x=1x=1 일 때, 최솟값은 x=3x= 3 과 x=−1x=-1 일 때 나타난다(두 점 모두 x=1x=1 에서 거리가 22 이다).

따라서 최솟값과 최댓값이 나타날 위치의 후보는 다음과 같다.

점(1,0)(−1,0)(1,±1)(−1,±1)(3,0)(3,±1)함숫값 f622−22−2최대최소최소\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|}\hline \text{점} & (1,0) & (-1,0) & (1,\pm 1) & (-1,\pm 1) & (3,0) & (3,\pm 1) \\ \hline \text{함숫값 }f & 6 & 2 & 2 & -2 & 2 & -2 \\ \hline & \text{최대} & & & \text{최소} & & \text{최소} \\ \hline \end{array}

따라서 최솟값은 −2-2 이고 최댓값은 66 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The maximum and minimum must either occur at a critical point or on the boundary of RR.

  • The critical points are the solutions of

0=fx(x,y)=2−2x0=fy(x,y)=−8y\begin{aligned} 0&=f_x(x,y) = 2-2x \\ 0&=f_y(x,y) = -8y \\ \end{aligned}

So the only critical point is (1,0)(1,0).

  • On the side x=−1x=-1, −1≤y≤1-1\le y\le 1 of the boundary of RR

f(−1,y)=2−4y2f(-1,y) = 2-4y^2

This function decreases as ∣y∣|y| increases. So its maximum value on −1≤y≤1-1\le y\le 1 is achieved at y=0y=0 and its minimum value is achieved at y=±1y=\pm 1.

  • On the side x=3x=3, −1≤y≤1-1\le y\le 1 of the boundary of RR

f(3,y)=2−4y2f(3,y) = 2-4y^2

This function decreases as ∣y∣|y| increases. So its maximum value on −1≤y≤1-1\le y\le 1 is achieved at y=0y=0 and its minimum value is achieved at y=±1y=\pm 1.

  • On both sides y=±1y=\pm 1, −1≤x≤3-1\le x\le 3 of the boundary of RR

f(x,±1)=1+2x−x2=2−(x−1)2f(x,\pm 1) = 1+2x-x^2 = 2 -(x-1)^2

This function decreases as ∣x−1∣|x-1| increases. So its maximum value on −1≤x≤3-1\le x\le 3 is achieved at x=1x=1 and its minimum value is achieved at x=3x= 3 and x=−1x=-1 (both of whom are a distance 22 from x=1x=1).

So we have the following candidates for the locations of the min and max

point(1,0)(−1,0)(1,±1)(−1,±1)(3,0)(3,±1)value of f622−22−2maxminmin\begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|}\hline \text{point} & (1,0) & (-1,0) & (1,\pm 1) & (-1,\pm 1) & (3,0) & (3,\pm 1) \\ \hline \text{value of }f & 6 & 2 & 2 & -2 & 2 & -2 \\ \hline & \text{max} & & & \text{min} & & \text{min} \\ \hline \end{array}

So the minimum is −2-2 and the maximum is 66.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.9절 · 26번우리말 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.

다 풀었으면 정답 확인

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}

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