題目
Problem
5. Find the maximum and minimum of the function f(x,y)=x2y on the region x2+y2≤1. (10%)
解答
解法一:邊界代換與內部臨界點分析法(最推薦)
思路
展開
- 本題要求連續函數 f(x,y)=x2y 在閉圓盤區域 x2+y2≤1 上的最大值與最小值。
- 我們分區域內部與邊界曲線討論:
- 內部區域 x2+y2<1:求出 f 的偏導函數並令其為零,尋找內部臨界點。
- 邊界圓周 x2+y2=1:代入 x2=1−y2,將函數簡化為關於 y 的單變數函數,求其最值。
答題過程
展開
第一部分:圓盤內部臨界點 (x2+y2<1)
我們求偏偏導數並令其為零:
fx(x,y)=2xy=0⟹x=0或y=0
fy(x,y)=x2=0⟹x=0
聯立得內部臨界點為 (0,y)(其中 −1<y<1)。
- 在這些點上,函數值均為:
f(0,y)=0
第二部分:圓盤邊界極值 (x2+y2=1)
在邊界上,我們有關係式 x2=1−y2。由於 x2≥0,故 y 的取值範圍為 [−1,1]。
我們將此關係式代入 f(x,y),將其簡化為關於 y 的單變數函數 g(y):
g(y)=(1−y2)y=y−y3,y∈[−1,1]
我們對 g(y) 進行一階求導並令其為零:
g′(y)=1−3y2=0⟹y=±31=±33
我們計算臨界點與端點的函數值:
- 若 y=33:
g(33)=33−(33)3=33−2733=33−93=923
- 若 y=−33:
g(−33)=−33−(−33)3=−923
- 區間端端點 y=±1:
g(±1)=(±1)−(±1)3=0
第三部分:比較與結論
我們比對所有候選點的值:
- 內部點與端點值: 0。
- 邊界點最大值: 923。
- 邊界點最小值: −923。
結論:
絕對最大值為 923,絕對最小值為 −923。