題目
Problem
6. Find the absolute maximum and minimum values of f(x,y)=2x2+y2−4y on the closed triangular region R in the xy-plane, bounded by the lines y=4, y=x and y=−x. (10%)
解答
解法一:常規邊界與內部臨界點分析法(最推薦)
思路
展開
- 閉三角形區域 R 的三個頂點為 (0,0)、 (4,4) 與 (−4,4)。
- 我們需要分別分析內部與邊界:
- 內部區域:求出 f 的偏導函數並設為零,尋找內部臨界點。
- 三條邊界段:將邊界方程式代入 f(x,y),將其簡化為單變數函數,求其極值候選點。
- 第一步:內部臨界點:
- fx=4x=0⟹x=0。
- fy=2y−4=0⟹y=2。
- 臨界點 (0,2) 位於三角形內部,此處函數值為 f(0,2)=−4。
- 第二步:邊界段極值:
- 邊界一 y=4,x∈[−4,4]: f(x,4)=2x2。最小在 x=0⟹0;最大在 x=±4⟹32。
- 邊界二 y=x,x∈[0,4]: f(x,x)=3x2−4x。臨界點在 x=2/3⟹−4/3。頂點值分別為 f(0,0)=0,f(4,4)=32。
- 邊界三 y=−x,x∈[−4,0]:由於對稱性,結果與邊界二相同。
- 第三步:比較所有候選值。
答題過程
展開
三角形區域 R 的邊界由三條直線圍成,其頂點為:
- A(0,0)
- B(4,4)
- C(−4,4)
我們分區域內部與邊界段分別討論:
第一部分:區域內部臨界點
我們求偏導數並令其為零:
fx(x,y)=4x=0⟹x=0
fy(x,y)=2y−4=0⟹y=2
得到唯一的內部臨界點 (0,2)。
- 檢驗範圍:該點 (0,2) 確實落於由 y=4,y=x,y=−x 圍成的三角形內部。
- 此處函數值為:
f(0,2)=2(0)2+22−4(2)=−4
第二部分:邊界線段分析
1. 邊界線段 L1: y=4 (其中 −4≤x≤4)
代入 y=4 於 f(x,y):
g1(x)=f(x,4)=2x2+16−16=2x2
在區間 [−4,4] 上:
- 當 x=0 時,取得最小值 g1(0)=0。對應點為 (0,4)。
- 當 x=±4 時,取得最大值 g1(±4)=32。對應端點 B(4,4) 與 C(−4,4)。
2. 邊界線段 L2: y=x (其中 0≤x≤4)
代入 y=x 於 f(x,y):
g2(x)=f(x,x)=2x2+x2−4x=3x2−4x
我們對 g2(x) 求導並令其為零以求區間內極值點:
g2′(x)=6x−4=0⟹x=32
- 當 x=32 時, y=32。此處函數值為:
g2(32)=3(32)2−4(32)=34−38=−34
- 端點值:
- g2(0)=f(0,0)=0。
- g2(4)=f(4,4)=32。
3. 邊界線段 L3: y=−x (其中 −4≤x≤0)
由於 f(−x,y)=2(−x)2+y2−4y=f(x,y) 具有關於 y 軸的對稱性,此邊界的分析與 L2 完全對稱:
- 臨界點發生於 x=−32,y=32,函數值為 −34。
- 端端點值為 f(0,0)=0, f(−4,4)=32。
第三部分:比較與結論
我們比對所有極值候選點的值:
- f(0,2)=−4
- f(±32,32)=−34
- f(0,4)=0
- f(0,0)=0
- f(±4,4)=32
比較上述所有數值:
- 絕對最大值為: 32,發生於端點 (4,4) 與 (−4,4)。
- 絕對最小值為: −4,發生於內部點 (0,2)。