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 · 27번대학 수준우리말 번역

함수 g(x,y)=x2−10y−y2 g(x,y)=x^2-10y-y^2 을 생각하세요.

(a) gg 의 모든 임계점을 구하고 분류하세요. (b) 다음으로 주어진 유계인 영역에서 gg 의 절대 극값을 구하세요.

x2+4y2≤16, y≤0x^2+4y^2\le 16,\ y\le 0

영어 원문 보기

Consider the function g(x,y)=x2−10y−y2. g(x,y)=x^2-10y-y^2 .

(a) Find and classify all critical points of gg. (b) Find the absolute extrema of gg on the bounded region given by

x2+4y2≤16, y≤0x^2+4y^2\le 16,\ y\le 0

정답·풀이 보기

(a) 다음과 같다.

g(x,y)=x2−10y−y2gx(x,y)=2xgxx(x,y)=2gy(x,y)=−10−2ygyy(x,y)=−2gxy(x,y)=0\begin{aligned} g(x,y)&=x^2-10y-y^2 \qquad& g_x(x,y)&=2x \qquad& g_{xx}(x,y)&=2\\ & & g_y(x,y)&=-10-2y\qquad & g_{yy}(x,y)&=-2 \\ & & & &g_{xy}(x,y)&=0 \end{aligned}

임계점에서

gx(x,y)=gy(x,y)=0  ⟺  2x=0 이고 −10−2y=0  ⟺  (x,y)=(0,−5)\begin{aligned} g_x(x,y)=g_y(x,y)=0 \iff 2x=0\text{ 이고 }-10-2y=0 \iff (x,y)=(0,-5) \end{aligned}

gxx(0,−5)gyy(0,−5)−gxy(0,−5)2=2×(−2)−02<0g_{xx}(0,-5)g_{yy}(0,-5)-g_{xy}(0,-5)^2=2\times(-2)-0^2<0 이므로 이 임계점은 안장점이다.

(b) 극값은 영역의 경계 위에 있거나 영역의 내부에 있어야 한다.

  • 경계 중 반타원 부분에서는 −2≤y≤0-2\le y\le 0 이고 x2+4y2=16x^2+4y^2=16 이므로 g=x2−10y−y2=16−10y−5y2=21−5(y+1)2g=x^2-10y-y^2=16-10y-5y^2=21-5(y+1)^2 이다. 이 값은 최솟값 16 (y=0,−2y=0,-2 일 때)과 최댓값 21 (y=−1y=-1 일 때)을 가진다. 16−10y−5y216-10y-5y^2 의 임계점(즉 ddy(16−10y−5y2)=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}(16-10y-5y^2)=0 을 푼 값)을 확인하고 허용된 구간의 양 끝점(곧 y=0y=0 과 y=−2y=-2)을 확인해도 같은 결론에 이를 수 있다.
  • 경계 중 평평한 부분에서는 y=0y=0 이고 −4≤x≤4-4\le x\le 4 이므로 g=x2g=x^2 이다. 최솟값은 x=0x=0 일 때 00 이고 최댓값은 x=±4x=\pm 4 일 때 1616 이다.
  • 극값이 판의 내부에 있다면 그 점은 g(x,y)g(x,y) 의 임계점이어야 한다. 유일한 임계점은 주어진 영역 안에 있지 않다.

다음은 극값의 모든 후보를 나타낸 표이다.

(x,y)g(x,y)(0,−2)16(±4,0)16(±12,−1)21(0,0)0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (0,-2) & 16 \\ \hline (\pm 4,0) & 16 \\ \hline (\pm \sqrt{12},-1) & 21 \\ \hline (0,0) & 0 \\ \hline \end{array}

표에서 gg 의 최솟값은 (0,0)(0,0) 에서 00 이고 최댓값은 (±23,−1)(\pm 2\sqrt{3},-1) 에서 2121 이다.

원본 교재 풀이(영어)

(a) We have

g(x,y)=x2−10y−y2gx(x,y)=2xgxx(x,y)=2gy(x,y)=−10−2ygyy(x,y)=−2gxy(x,y)=0\begin{aligned} g(x,y)&=x^2-10y-y^2 \qquad& g_x(x,y)&=2x \qquad& g_{xx}(x,y)&=2\\ & & g_y(x,y)&=-10-2y\qquad & g_{yy}(x,y)&=-2 \\ & & & &g_{xy}(x,y)&=0 \end{aligned}

At a critical point

gx(x,y)=gy(x,y)=0  ⟺  2x=0 and −10−2y=0  ⟺  (x,y)=(0,−5)\begin{aligned} g_x(x,y)=g_y(x,y)=0 \iff 2x=0\text{ and }-10-2y=0 \iff (x,y)=(0,-5) \end{aligned}

Since gxx(0,−5)gyy(0,−5)−gxy(0,−5)2=2×(−2)−02<0g_{xx}(0,-5)g_{yy}(0,-5)-g_{xy}(0,-5)^2=2\times(-2)-0^2<0, the critical point is a saddle point.

(b) The extrema must be either on the boundary of the region or in the interior of the region.

  • On the semi-elliptical part of the boundary −2≤y≤0-2\le y\le 0 and x2+4y2=16x^2+4y^2=16 so that g=x2−10y−y2=16−10y−5y2=21−5(y+1)2g=x^2-10y-y^2=16-10y-5y^2=21-5(y+1)^2. This has a minimum value of 16 (at y=0,−2y=0,-2) and a maximum value of 21 (at y=−1y=-1). You could also come to this conclusion by checking the critical point of 16−10y−5y216-10y-5y^2 (i.e. solving ddy(16−10y−5y2)=0\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}(16-10y-5y^2)=0) and checking the end points of the allowed interval (namely y=0y=0 and y=−2y=-2).
  • On the flat part of the boundary y=0y=0 and −4≤x≤4-4\le x\le 4 so that g=x2g=x^2. The smallest value is taken when x=0x=0 and is 00 and the largest value is taken when x=±4x=\pm 4 and is 1616.
  • If an extremum is in the interior of the plate, it must be at a critical point of g(x,y)g(x,y). The only critical point is not in the prescribed region.

Here is a table giving all candidates for extrema:

(x,y)g(x,y)(0,−2)16(±4,0)16(±12,−1)21(0,0)0\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (0,-2) & 16 \\ \hline (\pm 4,0) & 16 \\ \hline (\pm \sqrt{12},-1) & 21 \\ \hline (0,0) & 0 \\ \hline \end{array}

From the table the smallest value of gg is 00 at (0,0)(0,0) and the largest value is 2121 at (±23,−1)(\pm 2\sqrt{3},-1).

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.9절 · 17번우리말 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.

다 풀었으면 정답 확인

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.

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