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112 政治大學微積分(應數大三) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大三)

112學年度 · 112微積分應數大三 · 第 5 題

題目

Problem

5. Find the maximum and minimum of the function f(x,y)=x2yf(x, y) = x^2 y on the region x2+y21x^2 + y^2 \le 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

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  1. 本題要求連續函數 f(x,y)=x2yf(x, y) = x^2 y 在閉圓盤區域 x2+y21x^2 + y^2 \le 1 上的最大值與最小值。
  2. 我們分區域內部與邊界曲線討論:
    • 內部區域 x2+y2<1x^2 + y^2 < 1:求出 ff 的偏導函數並令其為零,尋找內部臨界點。
    • 邊界圓周 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1:代入 x2=1y2x^2 = 1 - y^2,將函數簡化為關於 yy 的單變數函數,求其最值。

答題過程

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第一部分:圓盤內部臨界點 (x2+y2<1x^2 + y^2 < 1)

我們求偏偏導數並令其為零:

fx(x,y)=2xy=0    x=0y=0f_x(x, y) = 2xy = 0 \implies x = 0 \quad \text{或} \quad y = 0 fy(x,y)=x2=0    x=0f_y(x, y) = x^2 = 0 \implies x = 0

聯立得內部臨界點為 (0,y)(0, y)(其中 1<y<1-1 < y < 1)。

  • 在這些點上,函數值均為: f(0,y)=0f(0, y) = 0

第二部分:圓盤邊界極值 (x2+y2=1x^2 + y^2 = 1)

在邊界上,我們有關係式 x2=1y2x^2 = 1 - y^2。由於 x20x^2 \ge 0,故 yy 的取值範圍為 [1,1][-1, 1]。 我們將此關係式代入 f(x,y)f(x, y),將其簡化為關於 yy 的單變數函數 g(y)g(y)

g(y)=(1y2)y=yy3,y[1,1]g(y) = \left( 1 - y^2 \right)y = y - y^3, \quad y \in [-1, 1]

我們對 g(y)g(y) 進行一階求導並令其為零:

g(y)=13y2=0    y=±13=±33g'(y) = 1 - 3y^2 = 0 \implies y = \pm\frac{1}{\sqrt{3}} = \pm\frac{\sqrt{3}}{3}

我們計算臨界點與端點的函數值:

  1. y=33y = \frac{\sqrt{3}}{3}g(33)=33(33)3=333327=3339=239g\left(\frac{\sqrt{3}}{3}\right) = \frac{\sqrt{3}}{3} - \left(\frac{\sqrt{3}}{3}\right)^3 = \frac{\sqrt{3}}{3} - \frac{3\sqrt{3}}{27} = \frac{\sqrt{3}}{3} - \frac{\sqrt{3}}{9} = \frac{2\sqrt{3}}{9}
  2. y=33y = -\frac{\sqrt{3}}{3}g(33)=33(33)3=239g\left(-\frac{\sqrt{3}}{3}\right) = -\frac{\sqrt{3}}{3} - \left(-\frac{\sqrt{3}}{3}\right)^3 = -\frac{2\sqrt{3}}{9}
  3. 區間端端點 y=±1y = \pm 1g(±1)=(±1)(±1)3=0g(\pm 1) = (\pm 1) - (\pm 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: 00
  • 邊界點最大值: 239\displaystyle \frac{2\sqrt{3}}{9}
  • 邊界點最小值: 239\displaystyle -\frac{2\sqrt{3}}{9}

結論: 絕對最大值為 239\displaystyle \frac{2\sqrt{3}}{9},絕對最小值為 239\displaystyle -\frac{2\sqrt{3}}{9}