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112 政治大學微積分 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

112學年度 · 112微積分 · 第 3 題

題目

Problem

3. Find the extreme value of f(x,y)=x2+y23xxyf(x, y) = x^2 + y^2 - 3x - xy subject to x2+y29x^2 + y^2 \le 9. (8%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求連續函數 f(x,y)=x2+y23xxyf(x,y) = x^2+y^2-3x-xy 在閉圓盤區域 x2+y29x^2+y^2 \le 9 上的絕對最大值與絕對最小值。
  2. 我們需要分別檢查兩個部分:
    • 內部區域 x2+y2<9x^2 + y^2 < 9:找出所有內部臨界點,計算其函數值。
    • 邊界曲線 x2+y2=9x^2 + y^2 = 9:利用拉格朗日乘子法求出邊界極值候選點的函數值。
  3. 第一步:內部臨界點尋找
    • fx=2x3y=0f_x = 2x - 3 - y = 0
    • fy=2yx=0    x=2yf_y = 2y - x = 0 \implies x = 2y
    • 聯立解得 (x,y)=(2,1)(x,y) = (2, 1)
    • 檢查是否在圓盤內: 22+12=5<92^2 + 1^2 = 5 < 9,符合。函數值為 f(2,1)=3f(2,1) = -3
  4. 第二步:邊界極值點尋找(拉格朗日乘子法)
    • 約束條件為 g(x,y)=x2+y2=9g(x,y) = x^2+y^2 = 9
    • 偏導關係:
      1. 2x3y=2λx2x - 3 - y = 2\lambda x
      2. 2yx=2λy2y - x = 2\lambda y
    • 消去 λ\lambda 可得 x2y23y=0x^2 - y^2 - 3y = 0
    • 聯立 x2+y2=9x^2+y^2 = 9 可解得邊界候選點: (0,3)(0, -3)(±332,32)\left( \pm\frac{3\sqrt{3}}{2}, \frac{3}{2} \right)
  5. 第三步:比對所有候選點值,確定最大值與最小值

答題過程

展開

我們分內部區域與邊界曲線兩部分進行討論:

第一部分:圓盤內部臨界點 (x2+y2<9x^2 + y^2 < 9)

我們對 f(x,y)f(x, y) 關於 xxyy 求偏導函數,並令其為零:

fx(x,y)=2x3y=0— (1)f_x(x, y) = 2x - 3 - y = 0 \quad \text{--- (1)} fy(x,y)=2yx=0    x=2y— (2)f_y(x, y) = 2y - x = 0 \implies x = 2y \quad \text{--- (2)}

將式 (2) 代入式 (1):

2(2y)3y=0    3y=3    y=12(2y) - 3 - y = 0 \implies 3y = 3 \implies y = 1

則對應的 x=2(1)=2x = 2(1) = 2。 得到內部臨界點為 (2,1)(2, 1)

  • 檢驗範圍: 22+12=5<92^2 + 1^2 = 5 < 9,此點確實位於內部。
  • 此處函數值為: f(2,1)=22+123(2)(2)(1)=4+162=3f(2, 1) = 2^2 + 1^2 - 3(2) - (2)(1) = 4 + 1 - 6 - 2 = -3

第二部分:圓盤邊界極值 (x2+y2=9x^2 + y^2 = 9)

設約束條件為 g(x,y)=x2+y2=9g(x, y) = x^2 + y^2 = 9。我們使用拉格朗日乘子法:

f(x,y)=λg(x,y)\nabla f(x, y) = \lambda \nabla g(x, y)

我們列出聯立方程式:

2x3y=λ(2x)    1y+32x=λ— (3)2x - 3 - y = \lambda(2x) \implies 1 - \frac{y+3}{2x} = \lambda \quad \text{--- (3)} 2yx=λ(2y)    1x2y=λ— (4)2y - x = \lambda(2y) \implies 1 - \frac{x}{2y} = \lambda \quad \text{--- (4)} x2+y2=9— (5)x^2 + y^2 = 9 \quad \text{--- (5)}

由式 (3) 與式 (4) 可得:

y+32x=x2y    y(y+3)=x2    x2=y2+3y\frac{y+3}{2x} = \frac{x}{2y} \implies y(y+3) = x^2 \implies x^2 = y^2 + 3y

將此式代入約束條件式 (5):

(y2+3y)+y2=9    2y2+3y9=0\left(y^2 + 3y\right) + y^2 = 9 \implies 2y^2 + 3y - 9 = 0

解此一元二次方程式:

(2y3)(y+3)=0    y=32y=3(2y - 3)(y + 3) = 0 \implies y = \frac{3}{2} \quad \text{或} \quad y = -3

我們求出對應的 xx 座標:

  1. y=3y = -3x2+(3)2=9    x2=0    x=0x^2 + (-3)^2 = 9 \implies x^2 = 0 \implies x = 0 得到邊界點 (0,3)(0, -3)
  2. y=32y = \frac{3}{2}x2+(32)2=9    x2=994=274    x=±332x^2 + \left(\frac{3}{2}\right)^2 = 9 \implies x^2 = 9 - \frac{9}{4} = \frac{27}{4} \implies x = \pm\frac{3\sqrt{3}}{2} 得到兩個邊界點 (±332,32)\displaystyle \left( \pm\frac{3\sqrt{3}}{2},\, \frac{3}{2} \right)

第三部分:函數值比較與結論

我們計算所有候選點的函數值:

  1. 內部臨界點值: f(2,1)=3f(2, 1) = -3
  2. 邊界點 (0,3)(0, -3)f(0,3)=02+(3)23(0)(0)(3)=9f(0, -3) = 0^2 + (-3)^2 - 3(0) - (0)(-3) = 9
  3. 邊界點 (±332,32)\displaystyle \left( \pm\frac{3\sqrt{3}}{2},\, \frac{3}{2} \right): 由於被積函數中含有 xy-xy 項,我們分別代入:
    • (332,32)\displaystyle \left( -\frac{3\sqrt{3}}{2},\, \frac{3}{2} \right) (即 x<0x < 0): f(332,32)=(x2+y2)3xxy=9+932+934=9+27349+11.69=20.69\begin{align*} f\left(-\frac{3\sqrt{3}}{2},\, \frac{3}{2}\right) =&\, \left(x^2 + y^2\right) - 3x - xy \\[2mm] =&\, 9 + \frac{9\sqrt{3}}{2} + \frac{9\sqrt{3}}{4} = 9 + \frac{27\sqrt{3}}{4} \approx 9 + 11.69 = 20.69 \end{align*}
    • (332,32)\displaystyle \left( \frac{3\sqrt{3}}{2},\, \frac{3}{2} \right) (即 x>0x > 0): f(332,32)=9932934=927342.69f\left(\frac{3\sqrt{3}}{2},\, \frac{3}{2}\right) = 9 - \frac{9\sqrt{3}}{2} - \frac{9\sqrt{3}}{4} = 9 - \frac{27\sqrt{3}}{4} \approx -2.69

比較上述所有候選值:

  • 最大值為: 9+2734\displaystyle 9 + \frac{27\sqrt{3}}{4},發生於邊界點 (332,32)\displaystyle \left( -\frac{3\sqrt{3}}{2},\, \frac{3}{2} \right)
  • 最小值為: 3-3,發生於內部點 (2,1)(2, 1)

結論: 絕對最大值為 9+2734\displaystyle 9 + \frac{27\sqrt{3}}{4},絕對最小值為 3-3