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 · 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 문제CLP-3 · 2.9절 · 34번우리말 번역

(a) 함수 f(x,y)=2x+4y+1xyf(x,y)=2x+4y+\frac{1}{xy} 가 제1사분면 x>0x>0, y>0y>0 에서 임계점을 정확히 하나만 가짐을 보이고, 그 점에서의 함숫값을 구하세요. (b) 이차 도함수 판정법을 이용하여 (a)에서 구한 임계점의 종류를 판별하세요. (c) 이로부터 부등식 2x+4y+1xy≥62x+4y+\frac{1}{xy}\ge 6 이 모든 양의 실수 xx, yy 에 대해 성립하는 이유를 설명하세요.

다 풀었으면 정답 확인

(a) x,y>0x,y>0 에서

fx=2−1x2y=0  ⟺  y=12x2fy=4−1xy2=0\begin{aligned} f_x&=2-\frac{1}{x^2y}=0\iff y=\frac{1}{2x^2}\\ f_y&=4-\frac{1}{xy^2}=0 \end{aligned}

첫째 식에서 얻은 y=12x2y=\frac{1}{2x^2} 을 둘째 식에 대입하면 4−4x3=0 4-4x^3=0 이고, 이로부터 x=1x=1, y=12y=\tfrac{1}{2} 이다. x=1x=1, y=12y=\tfrac{1}{2} 일 때,

f(1,12)=2+2+2=6f\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=2+2+2=6

(b) 이차 도함수는

fxx(x,y)=2x3yfxy(x,y)=1x2y2fyy(x,y)=2xy3f_{xx}(x,y)=\frac{2}{x^3y}\qquad f_{xy}(x,y)=\frac{1}{x^2y^2}\qquad f_{yy}(x,y)=\frac{2}{xy^3}

특히

fxx(1,12)=4fxy(1,12)=4fyy(1,12)=16f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4\qquad f_{xy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4\qquad f_{yy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=16

fxx(1,12)fyy(1,12)−fxy(1,12)2=4×16−42=48>0f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)f_{yy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)- f_{xy}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)^2=4\times 16-4^2=48>0 이고 fxx(1,12)=4>0f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4>0 이므로 점 (1,12)\big(1,\tfrac{1}{2}\big) 은 극소이다.

(c) xx 또는 yy 가 무한대로 갈 때(다른 변수는 0 이상일 때), 2x+4y2x+4y 는 +∞+\infty 로 발산한다. (x,y)(x,y) 가 xx축과 yy축 중 제1사분면에 속하는 부분의 어떤 점으로 가까워져도 1xy\frac{1}{xy} 는 +∞+\infty 로 발산한다. 따라서 xx 또는 yy 가 제1사분면의 경계(무한대도 경계에 포함한다)로 가까워지면 f(x,y)f(x,y) 는 +∞+\infty 로 발산한다. 그러므로 (1,12)\big(1,\tfrac{1}{2}\big) 은 제1사분면에서 ff 의 극솟값일 뿐만 아니라 최솟값을 갖는 점이다. 따라서 모든 x,y>0x,y>0 에 대해 f(x,y)≥f(1,12)=6f(x,y)\ge f\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=6 이다.

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