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 · 29번대학 수준우리말 번역

사분원 D={ (x,y) ∣ x2+y2≤4, x≥0, y≥0 }D = \big\{ \ (x, y)\ \big|\ x^2 + y^2 \le 4,\ x\ge0,\ y\ge 0\ \big\} 에서

f(x,y)=xye−(x2+y2)/2f(x, y) = xye^{-(x^2 + y^2) / 2}

의 최댓값을 구하세요.

영어 원문 보기

Find the maximum value of

f(x,y)=xye−(x2+y2)/2f(x, y) = xye^{-(x^2 + y^2) / 2}

on the quarter-circle D={ (x,y) ∣ x2+y2≤4, x≥0, y≥0 }D = \big\{ \ (x, y)\ \big|\ x^2 + y^2 \le 4,\ x\ge0,\ y\ge 0\ \big\}.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

최댓값은 DD 의 경계 위에 있거나 DD 의 내부에 있어야 한다.

  • 경계 중 원호 부분 r=2r=2 에서는 (극좌표에서) 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2} 이므로 f=r2cos⁡θsin⁡θe−r2/2=2sin⁡(2θ)e−2f=r^2\cos\theta\sin\theta e^{-r^2/2}=2\sin(2\theta)e^{-2} 이다. 이 함수는 θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} 즉 x=y=2x=y=\sqrt{2} 에서 최댓값 2e−22e^{-2} 을 갖는다.
  • 경계의 평평한 두 부분에서는 x=0x=0 또는 y=0y=0 이므로 f=0f=0 이다.
  • 최댓값이 DD 의 내부에 있다면 그 점은 f(x,y)f(x,y) 의 임계점이어야 한다.

fx(x,y)=e−(x2+y2)/2[y−x2y]fy(x,y)=e−(x2+y2)/2[x−xy2]\begin{aligned} f_x(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[y-x^2y\big]\qquad f_y(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[x-xy^2\big] \end{aligned}

이므로, (x,y)(x,y) 가 임계점일 필요충분조건은

y(1−x2)=0 그리고 x(1−y2)=0  ⟺  {y=0 또는 x=1 또는 x=−1} 그리고 {x=0 또는 y=1 또는 y=−1}\begin{aligned} &y(1-x^2)=0\text{ 그리고 }x(1-y^2)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ 또는 }x=1\text{ 또는 }x=-1\}\text{ 그리고 } \{x=0\text{ 또는 }y=1\text{ 또는 }y=-1\} \end{aligned}

이다. x,y≥0x,y\ge 0 인 임계점은 (0,0)(0,0) 과 (1,1)(1,1) 의 두 개이다. 이 중 앞의 것은 DD 의 경계 위에 있고 뒤의 것은 DD 의 내부에 있다.

다음은 최댓값의 모든 후보를 나타낸 표이다.

(x,y)g(x,y)(2,2)2e−2≈0.271(x,0)0(0,y)0(1,1)e−1≈0.368\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (\sqrt{2},\sqrt{2}) & 2e^{-2}\approx0.271 \\ \hline (x,0) & 0 \\ \hline (0,y) & 0 \\ \hline (1,1) & e^{-1}\approx0.368 \\ \hline \end{array}

e>2e>2 이므로 2e−2=e−12e<e−12e^{-2}=e^{-1}\frac{2}{e}<e^{-1} 이고, 따라서 가장 큰 값은 e−1e^{-1} 이다.

원본 교재 풀이(영어)

The maximum must be either on the boundary of DD or in the interior of DD.

  • On the circular part of the boundary r=2r=2, 0≤θ≤π20\le\theta\le\frac{\pi}{2} (in polar coordinates) so that f=r2cos⁡θsin⁡θe−r2/2=2sin⁡(2θ)e−2f=r^2\cos\theta\sin\theta e^{-r^2/2}=2\sin(2\theta)e^{-2}. This has a maximum value of 2e−22e^{-2} at θ=π4\theta=\frac{\pi}{4} or x=y=2x=y=\sqrt{2}.
  • On the two flat parts of the boundary x=0x=0 or y=0y=0 so that f=0f=0.
  • If the maximum is in the interior of DD, it must be at a critical point of f(x,y)f(x,y). Since

fx(x,y)=e−(x2+y2)/2[y−x2y]fy(x,y)=e−(x2+y2)/2[x−xy2]\begin{aligned} f_x(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[y-x^2y\big]\qquad f_y(x,y)=e^{-(x^2 + y^2) / 2}\big[x-xy^2\big] \end{aligned}

(x,y)(x,y) is a critical point if and only if

y(1−x2)=0 and x(1−y2)=0  ⟺  {y=0 or x=1 or x=−1} and {x=0 or y=1 or y=−1}\begin{aligned} &y(1-x^2)=0\text{ and }x(1-y^2)=0 \\ &\iff \{y=0\text{ or }x=1\text{ or }x=-1\}\text{ and } \{x=0\text{ or }y=1\text{ or }y=-1\} \end{aligned}

There are two critical points with x,y≥0x,y\ge 0, namely (0,0)(0,0) and (1,1)(1,1). The first of these is on the boundary of DD and the second is in the interior of DD.

Here is a table giving all candidates for the maximum:

(x,y)g(x,y)(2,2)2e−2≈0.271(x,0)0(0,y)0(1,1)e−1≈0.368\begin{array}{|c|c|}\hline (x,y) & g(x,y) \\ \hline (\sqrt{2},\sqrt{2}) & 2e^{-2}\approx0.271 \\ \hline (x,0) & 0 \\ \hline (0,y) & 0 \\ \hline (1,1) & e^{-1}\approx0.368 \\ \hline \end{array}

Since e>2e>2, we have that 2e−2=e−12e<e−12e^{-2}=e^{-1}\frac{2}{e}<e^{-1} and the largest value is e−1e^{-1}.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.9절 · 28번우리말 번역

다음 함수의 임계점을 모두 구하고 분류하세요. f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2f(x,y)=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2

다 풀었으면 정답 확인

다음과 같다.

f(x,y)=x3−3xy2−3x2−3y2fx(x,y)=3x2−3y2−6xfxx(x,y)=6x−6fy(x,y)=−6xy−6yfyy(x,y)=−6x−6fxy(x,y)=−6y\begin{aligned} f(x,y)&=x^3-3xy^2-3x^2-3y^2\qquad & f_x(x,y)&=3x^2-3y^2-6x\qquad & f_{xx}(x,y)&=6x-6 \\ & & f_y(x,y)&=-6xy-6y & f_{yy}(x,y)&=-6x-6 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-6y \end{aligned}

임계점에서

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  3(x2−y2−2x)=0 그리고 −6y(x+1)=0  ⟺  {x=−1 또는 y=0} 그리고 x2−y2−2x=0  ⟺  (x,y)=(−1,3) 또는 (−1,−3) 또는 (0,0) 또는 (2,0)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff 3(x^2-y^2-2x)=0\text{ 그리고 }-6y(x+1)=0 \\ &\iff \{x=-1\text{ 또는 }y=0\}\text{ 그리고 }x^2-y^2-2x=0 \\ &\iff (x,y)=(-1,\sqrt{3})\text{ 또는 }(-1,-\sqrt{3})\text{ 또는 }(0,0) \text{ 또는 }(2,0) \end{aligned}

네 임계점 각각의 분류를 나타낸 표는 다음과 같다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(0,0)(−6)×(−6)−02>0−6극대(2,0)6×(−18)−02<0안장점(−1,3)(−12)×0−(−63)2<0안장점(−1,−3)(−12)×0−(63)2<0안장점\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) & (-6)\times(-6)-0^2>0 & -6 & \text{극대} \\ \hline (2,0) & 6\times(-18)-0^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (-1,\sqrt{3}) & (-12)\times0-(-6\sqrt{3})^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (-1,-\sqrt{3}) & (-12)\times 0-(6\sqrt{3})^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline \end{array}

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