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112 台灣大學微積分(C) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

112學年度 · 112台大微積分C · 第 8 題

題目

Problem

8. Find critical points of f(x,y)=−2x4+x2y−y2+7yf(x, y) = -2x^4 + x^2 y - y^2 + 7y and indicate whether they are local maximum, local minimum, or saddle points. (12)‾\underline{\quad (12) \quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求找出二元函數 f(x,y)=−2x4+x2y−y2+7yf(x,y) = -2x^4 + x^2y - y^2 + 7y 的所有臨界點,並使用二階導數判別法分類。
  2. 第一步:求偏導函數並解方程組以尋找臨界點:
    • fx=−8x3+2xy=2x(y−4x2)=0  ⟹  x=0f_x = -8x^3 + 2xy = 2x(y - 4x^2) = 0 \implies x = 0 或 y=4x2y = 4x^2。
    • fy=x2−2y+7=0f_y = x^2 - 2y + 7 = 0。
    • 情況一:若 x=0  ⟹  −2y+7=0  ⟹  y=72x = 0 \implies -2y + 7 = 0 \implies y = \frac{7}{2}。得到第一個臨界點 (0,72)\left( 0, \frac{7}{2} \right)。
    • 情況二:若 y=4x2  ⟹  x2−8x2+7=0  ⟹  7x2=7  ⟹  x=±1y = 4x^2 \implies x^2 - 8x^2 + 7 = 0 \implies 7x^2 = 7 \implies x = \pm 1。
      • 若 x=1  ⟹  y=4x = 1 \implies y = 4。得到第二個臨界點 (1,4)(1, 4)。
      • 若 x=−1  ⟹  y=4x = -1 \implies y = 4。得到第三個臨界點 (−1,4)(-1, 4)。
  3. 第二步:求二階偏導函數,寫出判別式 D(x,y)D(x,y):
    • fxx=−24x2+2yf_{xx} = -24x^2 + 2y。
    • fyy=−2f_{yy} = -2。
    • fxy=2xf_{xy} = 2x。
    • D(x,y)=fxxfyy−(fxy)2=(−24x2+2y)(−2)−4x2=44x2−4yD(x,y) = f_{xx}f_{yy} - (f_{xy})^2 = (-24x^2+2y)(-2) - 4x^2 = 44x^2 - 4y。
  4. 第三步:代入各個臨界點判定類型。

答題過程

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第一步:尋找臨界點(Critical Points)

我們對函數 f(x,y)=−2x4+x2y−y2+7yf(x, y) = -2x^4 + x^2 y - y^2 + 7y 計算偏導函數並令其為零:

fx(x,y)=−8x3+2xy=2x(y−4x2)=0— (1)f_x(x, y) = -8x^3 + 2xy = 2x\left( y - 4x^2 \right) = 0 \quad \text{--- (1)} fy(x,y)=x2−2y+7=0— (2)f_y(x, y) = x^2 - 2y + 7 = 0 \quad \text{--- (2)}
  • 由式 (1) 得: x=0x = 0 或 y=4x2y = 4x^2。

  • 情況一:若 x=0x = 0: 代回式 (2) 得:

    02−2y+7=0  ⟹  2y=7  ⟹  y=720^2 - 2y + 7 = 0 \implies 2y = 7 \implies y = \frac{7}{2}

    得到第一個臨界點: P1(0, 72)\displaystyle P_1\left(0,\, \frac{7}{2}\right)。

  • 情況二:若 y=4x2y = 4x^2: 代回式 (2) 得:

    x2−2(4x2)+7=0  ⟹  −7x2+7=0  ⟹  x2=1  ⟹  x=±1x^2 - 2(4x^2) + 7 = 0 \implies -7x^2 + 7 = 0 \implies x^2 = 1 \implies x = \pm 1

    我們代回 y=4x2y = 4x^2 求出對應的 yy 值:

    • 當 x=1  ⟹  y=4(1)2=4x = 1 \implies y = 4(1)^2 = 4,得到點: P2(1, 4)P_2(1,\, 4)。
    • 當 x=−1  ⟹  y=4(−1)2=4x = -1 \implies y = 4(-1)^2 = 4,得到點: P3(−1, 4)P_3(-1,\, 4)。

因此共有三個臨界點: (0, 72)\displaystyle \left(0,\, \frac{7}{2}\right)、 (1, 4)(1,\, 4) 與 (−1, 4)(-1,\, 4)。


第二步:使用二階偏導數進行分類(Second Derivative Test)

我們計算二階偏導函數:

  • fxx(x,y)=−24x2+2y\displaystyle f_{xx}(x, y) = -24x^2 + 2y
  • fyy(x,y)=−2\displaystyle f_{yy}(x, y) = -2
  • fxy(x,y)=2x\displaystyle f_{xy}(x, y) = 2x

黑塞判別式(Discriminant)為:

D(x,y)=fxxfyy−(fxy)2=(−24x2+2y)(−2)−(2x)2=48x2−4y−4x2=44x2−4yD(x, y) = f_{xx}f_{yy} - (f_{xy})^2 = \left( -24x^2 + 2y \right)(-2) - (2x)^2 = 48x^2 - 4y - 4x^2 = 44x^2 - 4y

我們分別將三個臨界點代入判別式中:

  1. 對於點 P1(0, 72)P_1\left(0,\, \frac{7}{2}\right):

    D(0, 72)=44(0)2−4(72)=−14<0D\left(0,\, \frac{7}{2}\right) = 44(0)^2 - 4\left(\frac{7}{2}\right) = -14 < 0

    因為判別式 D<0D < 0,所以此點為鞍點(Saddle point)。

  2. 對於點 P2(1, 4)P_2(1,\, 4):

    D(1, 4)=44(1)2−4(4)=44−16=28>0D(1,\, 4) = 44(1)^2 - 4(4) = 44 - 16 = 28 > 0

    此時 D>0D > 0,我們再檢驗 fxx(1,4)f_{xx}(1, 4) 的符號:

    fxx(1,4)=−24(1)2+2(4)=−16<0f_{xx}(1, 4) = -24(1)^2 + 2(4) = -16 < 0

    因為 D>0D > 0 且 fxx<0f_{xx} < 0,所以此點為局部極大值點(Local maximum)。 對應局部極大值為 f(1,4)=−2(1)4+12(4)−42+7(4)=−2+4−16+28=14f(1, 4) = -2(1)^4 + 1^2(4) - 4^2 + 7(4) = -2 + 4 - 16 + 28 = 14。

  3. 對於點 P3(−1, 4)P_3(-1,\, 4):

    D(−1, 4)=44(−1)2−4(4)=44−16=28>0D(-1,\, 4) = 44(-1)^2 - 4(4) = 44 - 16 = 28 > 0

    此時 D>0D > 0,我們再檢驗 fxx(−1,4)f_{xx}(-1, 4) 的符號:

    fxx(−1,4)=−24(−1)2+2(4)=−16<0f_{xx}(-1, 4) = -24(-1)^2 + 2(4) = -16 < 0

    因為 D>0D > 0 且 fxx<0f_{xx} < 0,所以此點亦為局部極大值點(Local maximum)。 對應局部極大值為 f(−1,4)=14f(-1, 4) = 14。

結論: (12) 處應填入:臨界點為 (0, 72)\displaystyle \left(0,\, \frac{7}{2}\right) 為鞍點; (1, 4)(1,\, 4) 與 (−1, 4)(-1,\, 4) 為局部極大值點。