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 · 34번대학 수준우리말 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.

영어 원문 보기

(a) Show that the function f(x,y)=2x+4y+1xyf(x,y)=2x+4y+\frac{1}{xy} has exactly one critical point in the first quadrant x>0x>0, y>0y>0, and find its value at that point. (b) Use the second derivative test to classify the critical point in part (a). (c) Hence explain why the inequality 2x+4y+1xy≥62x+4y+\frac{1}{xy}\ge 6 is valid for all positive real numbers xx and yy.

정답·풀이 보기

(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.

원본 교재 풀이(영어)

(a) For x,y>0x,y>0,

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}

Substituting y=12x2y=\frac{1}{2x^2}, from the first equation, into the second gives 4−4x3=0 4-4x^3=0 which forces x=1x=1, y=12y=\tfrac{1}{2}. At x=1x=1, y=12y=\tfrac{1}{2},

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

(b) The second derivatives are

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}

In particular

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

Since 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 and fxx(1,12)=4>0f_{xx}\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=4>0, the point (1,12)\big(1,\tfrac{1}{2}\big) is a local minimum.

(c) As xx or yy tends to infinity (with the other at least zero), 2x+4y2x+4y tends to +∞+\infty. As (x,y)(x,y) tends to any point on the first quadrant part of the xx- and yy–axes, 1xy\frac{1}{xy} tends to +∞+\infty. Hence as xx or yy tends to the boundary of the first quadrant (counting infinity as part of the boundary), f(x,y)f(x,y) tends to +∞+\infty. As a result (1,12)\big(1,\tfrac{1}{2}\big) is a global (and not just local) minimum for ff in the first quadrant. Hence f(x,y)≥f(1,12)=6f(x,y)\ge f\big(1,\tfrac{1}{2}\big)=6 for all x,y>0x,y>0.

한 번 더 — 비슷한 문제CLP-3 · 2.9절 · 22번우리말 번역

함수 f(x,y)=x4+y4−4xy+2f(x,y)=x^4+y^4-4xy+2 의 임계점을 모두 구하고, 각 임계점이 극솟값, 극댓값, 안장점 중 어느 것인지 판단하세요.

다 풀었으면 정답 확인

다음과 같다.

f(x,y)=x4+y4−4xy+2fx(x,y)=4x3−4yfxx(x,y)=12x2fy(x,y)=4y3−4xfyy(x,y)=12y2fxy(x,y)=−4\begin{aligned} f(x,y)&=x^4+y^4-4xy+2\quad & f_x(x,y)&=4x^3-4y\quad & f_{xx}(x,y)&=12x^2 \\ & & f_y(x,y)&=4y^3-4x & f_{yy}(x,y)&=12y^2 \\ & & & &f_{xy}(x,y)&=-4 \end{aligned}

임계점에서는

fx(x,y)=fy(x,y)=0  ⟺  y=x3 그리고 x=y3  ⟺  x=x9 그리고 y=x3  ⟺  x(x8−1)=0, y=x3  ⟺  (x,y)=(0,0) 또는 (1,1) 또는 (−1,−1)\begin{aligned} f_x(x,y)=f_y(x,y)=0 &\iff y=x^3\text{ 그리고 }x=y^3 \\ &\iff x=x^9\text{ 그리고 }y=x^3 \\ &\iff x(x^8-1)=0,\ y=x^3 \\ &\iff (x,y)=(0,0)\text{ 또는 }(1,1)\text{ 또는 }(-1,-1) \end{aligned}

세 임계점 각각의 분류를 나타낸 표는 다음과 같다.

임계점fxxfyy−fxy2fxx종류(0,0)0×0−(−4)2<0안장점(1,1)12×12−(−4)2>012극소(−1,−1)12×12−(−4)2>012극소\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-(-4)^2<0 & & \text{안장점} \\ \hline (1,1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{극소} \\ \hline (-1,-1) & 12\times 12-(-4)^2>0 & \text{12} & \text{극소} \\ \hline \end{array}

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