題目
Problem
9. Find the absolute maxima and absolute minima of f(x,y)=3x2+2y2−4y on the region R in the xy-plane bounded by the graphs of y=x2 and y=4. (10%)
解答
思路
展開
- 積分區域 R 的邊界為拋物線 y=x2 與水平線 y=4,交點為 (±2,4)。
- 尋找內部臨界點:
令 fx=0 且 fy=0。求出候選點並確認其是否落在 R 的內部。
- 分析邊界上的極值:
- 邊界一 (直線段 y=4):代入 y=4,x∈[−2,2],將 f(x,y) 轉為單變數函數求極值。
- 邊界二 (拋物線 y=x2):代入 y=x2,x∈[−2,2],求單變數函數的極值。
- 比較所有候選點的函數值,得出絕對最大與最小值。
答題過程
展開
第一步:求區域 R 內部的臨界點
目標函數為:
f(x,y)=3x2+2y2−4y
對其求偏導數並令其為 0:
{fx=6x=0⟹x=0fy=4y−4=0⟹y=1
得到唯一的內部臨界點為 (0,1)。
由於 y=1≥x2=02,此點確實在區域 R 內部。
其函數值為:
f(0,1)=2(12)−4(1)=−2
第二步:求邊界上的極值候選點
區域邊界由兩部分組成:
-
水平線段 y=4,其中 −2≤x≤2:
代入目標函數:
f(x,4)=3x2+2(16)−4(4)=3x2+16
- 在 x=0 處取得最小值 f(0,4)=16。
- 在端點 x=±2 處取得最大值 f(±2,4)=3(4)+16=28。
-
拋物線弧 y=x2,其中 −2≤x≤2:
代入目標函數:
g(x)=f(x,x2)=3x2+2x4−4x2=2x4−x2
對單變數函數 g(x) 求導並令其為 0:
g′(x)=8x3−2x=2x(4x2−1)=0⟹x=0, ±21
- 當 x=0⟹y=0,函數值為 g(0)=f(0,0)=0。
- 當 x=±21⟹y=41,函數值為 g(±21)=2(161)−41=−81。
- 邊界端點 x=±2⟹y=4,函數值為 g(±2)=28。
第三步:比較所有候選點之值
我們彙整所有的候選值:
- 內部臨界點: f(0,1)=−2。
- 邊界一: f(0,4)=16, f(±2,4)=28。
- 邊界二: f(0,0)=0, f(±21,41)=−81。
比較可知:
- 絕對最大值為 28,發生於邊界端點 (±2,4)。
- 絕對最小值為 −2,發生於內部臨界點 (0,1)。
結論:
- 絕對最大值為 28。
- 絕對最小值為 −2。