題目
Problem
3. Find the extreme value of f(x,y)=x2+y2−3x−xy subject to x2+y2≤9. (8%)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求連續函數 f(x,y)=x2+y2−3x−xy 在閉圓盤區域 x2+y2≤9 上的絕對最大值與絕對最小值。
- 我們需要分別檢查兩個部分:
- 內部區域 x2+y2<9:找出所有內部臨界點,計算其函數值。
- 邊界曲線 x2+y2=9:利用拉格朗日乘子法求出邊界極值候選點的函數值。
- 第一步:內部臨界點尋找:
- fx=2x−3−y=0
- fy=2y−x=0⟹x=2y。
- 聯立解得 (x,y)=(2,1)。
- 檢查是否在圓盤內: 22+12=5<9,符合。函數值為 f(2,1)=−3。
- 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=9。
- 偏導關係:
- 2x−3−y=2λx
- 2y−x=2λy
- 消去 λ 可得 x2−y2−3y=0。
- 聯立 x2+y2=9 可解得邊界候選點: (0,−3) 與 (±233,23)。
- 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<9)
我們對 f(x,y) 關於 x 與 y 求偏導函數,並令其為零:
fx(x,y)=2x−3−y=0— (1)
fy(x,y)=2y−x=0⟹x=2y— (2)
將式 (2) 代入式 (1):
2(2y)−3−y=0⟹3y=3⟹y=1
則對應的 x=2(1)=2。
得到內部臨界點為 (2,1)。
- 檢驗範圍: 22+12=5<9,此點確實位於內部。
- 此處函數值為:
f(2,1)=22+12−3(2)−(2)(1)=4+1−6−2=−3
第二部分:圓盤邊界極值 (x2+y2=9)
設約束條件為 g(x,y)=x2+y2=9。我們使用拉格朗日乘子法:
∇f(x,y)=λ∇g(x,y)
我們列出聯立方程式:
2x−3−y=λ(2x)⟹1−2xy+3=λ— (3)
2y−x=λ(2y)⟹1−2yx=λ— (4)
x2+y2=9— (5)
由式 (3) 與式 (4) 可得:
2xy+3=2yx⟹y(y+3)=x2⟹x2=y2+3y
將此式代入約束條件式 (5):
(y2+3y)+y2=9⟹2y2+3y−9=0
解此一元二次方程式:
(2y−3)(y+3)=0⟹y=23或y=−3
我們求出對應的 x 座標:
- 若 y=−3:
x2+(−3)2=9⟹x2=0⟹x=0
得到邊界點 (0,−3)。
- 若 y=23:
x2+(23)2=9⟹x2=9−49=427⟹x=±233
得到兩個邊界點 (±233,23)。
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:
- 內部臨界點值:
f(2,1)=−3
- 邊界點 (0,−3):
f(0,−3)=02+(−3)2−3(0)−(0)(−3)=9
- 邊界點 (±233,23):
由於被積函數中含有 −xy 項,我們分別代入:
- 點 (−233,23) (即 x<0):
f(−233,23)==(x2+y2)−3x−xy9+293+493=9+4273≈9+11.69=20.69
- 點 (233,23) (即 x>0):
f(233,23)=9−293−493=9−4273≈−2.69
比較上述所有候選值:
- 最大值為: 9+4273,發生於邊界點 (−233,23)。
- 最小值為: −3,發生於內部點 (2,1)。
結論:
絕對最大值為 9+4273,絕對最小值為 −3。