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111 學年度台綜大微積分 B 第 9 題

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111學年度 · 111台綜大微積分B · 第 9 題

題目

Problem

9. Find the absolute maxima and absolute minima of f(x,y)=3x2+2y2−4yf(x, y) = 3x^2 + 2y^2 - 4y on the region RR in the xyxy-plane bounded by the graphs of y=x2y = x^2 and y=4y = 4. (10%)

解答

思路

展開
  1. 積分區域 RR 的邊界為拋物線 y=x2y = x^2 與水平線 y=4y = 4,交點為 (±2,4)(\pm 2, 4)。
  2. 尋找內部臨界點: 令 fx=0f_x = 0 且 fy=0f_y = 0。求出候選點並確認其是否落在 RR 的內部。
  3. 分析邊界上的極值:
    • 邊界一 (直線段 y=4y=4):代入 y=4y=4,x∈[−2,2]x \in [-2, 2],將 f(x,y)f(x,y) 轉為單變數函數求極值。
    • 邊界二 (拋物線 y=x2y=x^2):代入 y=x2y=x^2,x∈[−2,2]x \in [-2, 2],求單變數函數的極值。
  4. 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 RR 內部的臨界點

目標函數為:

f(x,y)=3x2+2y2−4yf(x, y) = 3x^2 + 2y^2 - 4y

對其求偏導數並令其為 0:

{fx=6x=0  ⟹  x=0fy=4y−4=0  ⟹  y=1\begin{cases} f_x = 6x = 0 \implies x = 0 \\ f_y = 4y - 4 = 0 \implies y = 1 \end{cases}

得到唯一的內部臨界點為 (0,1)(0, 1)。 由於 y=1≥x2=02y = 1 \ge x^2 = 0^2,此點確實在區域 RR 內部。 其函數值為:

f(0,1)=2(12)−4(1)=−2f(0, 1) = 2(1^2) - 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:

  1. 水平線段 y=4y = 4,其中 −2≤x≤2-2 \le x \le 2: 代入目標函數:

    f(x,4)=3x2+2(16)−4(4)=3x2+16f(x, 4) = 3x^2 + 2(16) - 4(4) = 3x^2 + 16
    • 在 x=0x = 0 處取得最小值 f(0,4)=16f(0, 4) = 16。
    • 在端點 x=±2x = \pm 2 處取得最大值 f(±2,4)=3(4)+16=28f(\pm 2, 4) = 3(4) + 16 = 28。
  2. 拋物線弧 y=x2y = x^2,其中 −2≤x≤2-2 \le x \le 2: 代入目標函數:

    g(x)=f(x,x2)=3x2+2x4−4x2=2x4−x2g(x) = f(x, x^2) = 3x^2 + 2x^4 - 4x^2 = 2x^4 - x^2

    對單變數函數 g(x)g(x) 求導並令其為 0:

    g′(x)=8x3−2x=2x(4x2−1)=0  ⟹  x=0, ±12g'(x) = 8x^3 - 2x = 2x(4x^2 - 1) = 0 \implies x = 0, \ \pm \frac{1}{2}
    • 當 x=0  ⟹  y=0x = 0 \implies y = 0,函數值為 g(0)=f(0,0)=0g(0) = f(0, 0) = 0。
    • 當 x=±12  ⟹  y=14x = \pm \frac{1}{2} \implies y = \frac{1}{4},函數值為 g(±12)=2(116)−14=−18g\left(\pm\frac{1}{2}\right) = 2\left(\frac{1}{16}\right) - \frac{1}{4} = -\frac{1}{8}。
    • 邊界端點 x=±2  ⟹  y=4x = \pm 2 \implies y = 4,函數值為 g(±2)=28g(\pm 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)=−2f(0, 1) = -2。
  • 邊界一: f(0,4)=16f(0, 4) = 16, f(±2,4)=28f(\pm 2, 4) = 28。
  • 邊界二: f(0,0)=0f(0, 0) = 0, f(±12,14)=−18f\left(\pm\frac{1}{2}, \frac{1}{4}\right) = -\frac{1}{8}。

比較可知:

  • 絕對最大值為 2828,發生於邊界端點 (±2,4)(\pm 2, 4)。
  • 絕對最小值為 −2-2,發生於內部臨界點 (0,1)(0, 1)。

結論:

  • 絕對最大值為 2828。
  • 絕對最小值為 −2-2。