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112 政治大學微積分(應數大二一) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二一)

112學年度 · 112微積分應數大二一 · 第 6 題

題目

Problem

6. Find the absolute maximum and minimum values of f(x,y)=2x2+y24yf(x, y) = 2x^2 + y^2 - 4y on the closed triangular region RR in the xyxy-plane, bounded by the lines y=4y = 4, y=xy = x and y=xy = -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
  1. 閉三角形區域 RR 的三個頂點為 (0,0)(0, 0)(4,4)(4, 4)(4,4)(-4, 4)
  2. 我們需要分別分析內部與邊界:
    • 內部區域:求出 ff 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)f(x, y),將其簡化為單變數函數,求其極值候選點。
  3. 第一步:內部臨界點
    • fx=4x=0    x=0f_x = 4x = 0 \implies x = 0
    • fy=2y4=0    y=2f_y = 2y - 4 = 0 \implies y = 2
    • 臨界點 (0,2)(0, 2) 位於三角形內部,此處函數值為 f(0,2)=4f(0, 2) = -4
  4. 第二步:邊界段極值
    • 邊界一 y=4,x[4,4]y=4, x \in [-4, 4]f(x,4)=2x2f(x, 4) = 2x^2。最小在 x=0    0x=0 \implies 0;最大在 x=±4    32x=\pm 4 \implies 32
    • 邊界二 y=x,x[0,4]y=x, x \in [0, 4]f(x,x)=3x24xf(x, x) = 3x^2 - 4x。臨界點在 x=2/3    4/3x=2/3 \implies -4/3。頂點值分別為 f(0,0)=0,f(4,4)=32f(0,0)=0, f(4,4)=32
    • 邊界三 y=x,x[4,0]y=-x, x \in [-4, 0]:由於對稱性,結果與邊界二相同。
  5. 第三步:比較所有候選值

答題過程

展開

三角形區域 RR 的邊界由三條直線圍成,其頂點為:

  • A(0,0)A(0, 0)
  • B(4,4)B(4, 4)
  • C(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=0f_x(x, y) = 4x = 0 \implies x = 0 fy(x,y)=2y4=0    y=2f_y(x, y) = 2y - 4 = 0 \implies y = 2

得到唯一的內部臨界點 (0,2)(0, 2)

  • 檢驗範圍:該點 (0,2)(0, 2) 確實落於由 y=4,y=x,y=xy=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+224(2)=4f(0, 2) = 2(0)^2 + 2^2 - 4(2) = -4

第二部分:邊界線段分析

1. 邊界線段 L1L_1y=4y = 4 (其中 4x4-4 \le x \le 4

代入 y=4y = 4f(x,y)f(x, y)

g1(x)=f(x,4)=2x2+1616=2x2g_1(x) = f(x, 4) = 2x^2 + 16 - 16 = 2x^2

在區間 [4,4][-4, 4] 上:

  • x=0x = 0 時,取得最小值 g1(0)=0g_1(0) = 0。對應點為 (0,4)(0, 4)
  • x=±4x = \pm 4 時,取得最大值 g1(±4)=32g_1(\pm 4) = 32。對應端點 B(4,4)B(4, 4)C(4,4)C(-4, 4)

2. 邊界線段 L2L_2y=xy = x (其中 0x40 \le x \le 4

代入 y=xy = xf(x,y)f(x, y)

g2(x)=f(x,x)=2x2+x24x=3x24xg_2(x) = f(x, x) = 2x^2 + x^2 - 4x = 3x^2 - 4x

我們對 g2(x)g_2(x) 求導並令其為零以求區間內極值點:

g2(x)=6x4=0    x=23g_2'(x) = 6x - 4 = 0 \implies x = \frac{2}{3}
  • x=23x = \frac{2}{3} 時, y=23y = \frac{2}{3}。此處函數值為: g2(23)=3(23)24(23)=4383=43g_2\left(\frac{2}{3}\right) = 3\left(\frac{2}{3}\right)^2 - 4\left(\frac{2}{3}\right) = \frac{4}{3} - \frac{8}{3} = -\frac{4}{3}
  • 端點值:
    • g2(0)=f(0,0)=0g_2(0) = f(0, 0) = 0
    • g2(4)=f(4,4)=32g_2(4) = f(4, 4) = 32

3. 邊界線段 L3L_3y=xy = -x (其中 4x0-4 \le x \le 0

由於 f(x,y)=2(x)2+y24y=f(x,y)f(-x, y) = 2(-x)^2 + y^2 - 4y = f(x, y) 具有關於 yy 軸的對稱性,此邊界的分析與 L2L_2 完全對稱:

  • 臨界點發生於 x=23,y=23x = -\frac{2}{3}, y = \frac{2}{3},函數值為 43-\frac{4}{3}
  • 端端點值為 f(0,0)=0f(0,0) = 0f(4,4)=32f(-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)=4f(0, 2) = -4
  • f(±23,23)=43f\left(\pm\frac{2}{3}, \frac{2}{3}\right) = -\frac{4}{3}
  • f(0,4)=0f(0, 4) = 0
  • f(0,0)=0f(0, 0) = 0
  • f(±4,4)=32f(\pm 4, 4) = 32

比較上述所有數值:

  • 絕對最大值為: 3232,發生於端點 (4,4)(4, 4)(4,4)(-4, 4)
  • 絕對最小值為: 4-4,發生於內部點 (0,2)(0, 2)