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113 政大微積分(應數大二一) 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二一)

113學年度 · 113微積分(應數大二一) · 第 7 題

題目

Problem

(15%) Find the extreme values of f(x,y)=x2+y2+4x−4yf(x, y) = x^2 + y^2 + 4x - 4y on the region {(x,y)∣x2+y2≤9}\{(x, y) \mid x^2 + y^2 \le 9\}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求連續二元函數 f(x,y)=x2+y2+4x−4yf(x, y) = x^2 + y^2 + 4x - 4y 在閉圓盤區域 x2+y2≤9x^2 + y^2 \le 9 上的最大值與最小值。
  2. 根據閉區域極值定理,最值只可能出現在內部臨界點或邊界上的極值點。
  3. 第一步:分析內部臨界點(滿足 x2+y2<9x^2+y^2 < 9 且 ∇f=0\nabla f = \mathbf{0}):
    • fx=2x+4=0  ⟹  x=−2f_x = 2x + 4 = 0 \implies x = -2。
    • fy=2y−4=0  ⟹  y=2f_y = 2y - 4 = 0 \implies y = 2。
    • 臨界點為 (−2,2)(-2, 2)。其距離平方為 (−2)2+22=8<9(-2)^2+2^2 = 8 < 9,確實落在圓內部。其函數值為 f(−2,2)=−8f(-2, 2) = -8。
  4. 第二步:分析圓邊界上的點(x2+y2=9x^2+y^2 = 9): 我們可以使用拉格朗日乘子法,設約束為 g(x,y)=x2+y2=9g(x,y) = x^2+y^2 = 9。
    • 方程組: ∇f=λ∇g  ⟹  ⟨2x+4,2y−4⟩=λ⟨2x,2y⟩\nabla f = \lambda \nabla g \implies \langle 2x+4, 2y-4 \rangle = \lambda \langle 2x, 2y \rangle。
    • 簡化得 x+2=λxx+2 = \lambda x 與 y−2=λy  ⟹  λ=1+2x=1−2y  ⟹  x=−yy-2 = \lambda y \implies \lambda = 1 + \frac{2}{x} = 1 - \frac{2}{y} \implies x = -y。
    • 將 x=−yx = -y 代入約束條件 x2+y2=9  ⟹  2y2=9  ⟹  y=±32x^2+y^2=9 \implies 2y^2 = 9 \implies y = \pm \frac{3}{\sqrt{2}}。
    • 計算這兩個邊界點的函數值。
  5. 第三步:比較各點函數值: 比較內部臨界點值與邊界點值,最大者為最大值,最小者為最小值。

答題過程

展開

第一步:尋找區域內部的臨界點

我們對函數 f(x,y)=x2+y2+4x−4yf(x, y) = x^2 + y^2 + 4x - 4y 在內部區域 x2+y2<9x^2+y^2 < 9 內求偏導,並令其為 00:

{fx(x,y)=2x+4=0  ⟹  x=−2fy(x,y)=2y−4=0  ⟹  y=2\begin{align*} \begin{cases} f_x(x, y) = 2x + 4 = 0 \implies x = -2 \\[2mm] f_y(x, y) = 2y - 4 = 0 \implies y = 2 \end{cases} \end{align*}

得到唯一的臨界點為 P0(−2,2)P_0(-2, 2)。 我們檢驗該點是否在圓內部:

(−2)2+22=4+4=8<9(-2)^2 + 2^2 = 4 + 4 = 8 < 9

該點確實位於內部。計算該點的函數值:

f(−2,2)=(−2)2+22+4(−2)−4(2)=4+4−8−8=−8— (1)f(-2, 2) = (-2)^2 + 2^2 + 4(-2) - 4(2) = 4 + 4 - 8 - 8 = -8 \quad \text{--- (1)}

第二步:尋找邊界上的候選點 (x2+y2=9x^2 + y^2 = 9)

我們使用拉格朗日乘子法。設定約束條件為:

g(x,y)=x2+y2=9g(x, y) = x^2 + y^2 = 9

偏微分方程組 ∇f(x,y)=λ∇g(x,y)\nabla f(x, y) = \lambda \nabla g(x, y) 給出:

{2x+4=λ(2x)  ⟹  x+2=λx— (2)2y−4=λ(2y)  ⟹  y−2=λy— (3)\begin{align*} \begin{cases} 2x + 4 = \lambda (2x) \implies x + 2 = \lambda x & \text{--- (2)} \\[2mm] 2y - 4 = \lambda (2y) \implies y - 2 = \lambda y & \text{--- (3)} \end{cases} \end{align*}

由式 (2) 與 (3) 可知 x≠0x \neq 0 且 y≠0y \neq 0(否則會導致 2=02=0 的矛盾)。我們解出 λ\lambda:

λ=x+2x=1+2x\lambda = \frac{x+2}{x} = 1 + \frac{2}{x} λ=y−2y=1−2y\lambda = \frac{y-2}{y} = 1 - \frac{2}{y}

使兩者相等:

1+2x=1−2y  ⟹  2x=−2y  ⟹  x=−y— (4)1 + \frac{2}{x} = 1 - \frac{2}{y} \implies \frac{2}{x} = -\frac{2}{y} \implies x = -y \quad \text{--- (4)}

將式 (4) 代回邊界約束條件 x2+y2=9x^2 + y^2 = 9:

(−y)2+y2=9  ⟹  2y2=9  ⟹  y=±32(-y)^2 + y^2 = 9 \implies 2y^2 = 9 \implies y = \pm \frac{3}{\sqrt{2}}

這給出兩個邊界點:

  1. 點 P1(−32, 32)P_1\left( -\frac{3}{\sqrt{2}},\, \frac{3}{\sqrt{2}} \right): 我們注意到 x2+y2=9x^2+y^2 = 9,所以代入時可直接簡化:

    f(−32, 32)= 9+4(−32)−4(32)= 9−122−122=9−242=9−122— (5)\begin{align*} f\left( -\frac{3}{\sqrt{2}},\, \frac{3}{\sqrt{2}} \right) =&\, 9 + 4\left( -\frac{3}{\sqrt{2}} \right) - 4\left( \frac{3}{\sqrt{2}} \right) \\[2mm] =&\, 9 - \frac{12}{\sqrt{2}} - \frac{12}{\sqrt{2}} = 9 - \frac{24}{\sqrt{2}} = 9 - 12\sqrt{2} \quad \text{--- (5)} \end{align*}
  2. 點 P2(32, −32)P_2\left( \frac{3}{\sqrt{2}},\, -\frac{3}{\sqrt{2}} \right):

    f(32, −32)= 9+4(32)−4(−32)= 9+122+122=9+122— (6)\begin{align*} f\left( \frac{3}{\sqrt{2}},\, -\frac{3}{\sqrt{2}} \right) =&\, 9 + 4\left( \frac{3}{\sqrt{2}} \right) - 4\left( -\frac{3}{\sqrt{2}} \right) \\[2mm] =&\, 9 + \frac{12}{\sqrt{2}} + \frac{12}{\sqrt{2}} = 9 + 12\sqrt{2} \quad \text{--- (6)} \end{align*}

第三步:比較數值大小

我們比較式 (1)、(5) 與 (6) 的函數值:

  • f(P2)=9+122\displaystyle f(P_2) = 9 + 12\sqrt{2}:因為 122>012\sqrt{2} > 0,所以這顯然是最大值。
  • 比較 f(P0)=−8f(P_0) = -8 與 f(P1)=9−122f(P_1) = 9 - 12\sqrt{2}: 因為 2≈1.414\sqrt{2} \approx 1.414,所以: 122≈16.97  ⟹  9−122≈−7.9712\sqrt{2} \approx 16.97 \implies 9 - 12\sqrt{2} \approx -7.97 顯然有 −8<−7.97  ⟹  f(P0)<f(P1)-8 < -7.97 \implies f(P_0) < f(P_1)。

因此,最小值為 −8-8,最大值為 9+1229 + 12\sqrt{2}。

結論:

  • 全域最大值為 9+1229 + 12\sqrt{2}(發生在邊界點 (32,−32)\left( \frac{3}{\sqrt{2}}, -\frac{3}{\sqrt{2}} \right) 處)。
  • 全域最小值為 −8-8(發生在內部臨界點 (−2,2)(-2, 2) 處)。