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114 台聯大微積分 A2 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

114學年度 · 114微積分A2 · 第 4 題

題目

Problem

Find all critical points of the function

f(x,y)=x3−6xy−y2,−∞<x<∞ and −∞<y<∞,f(x, y) = x^3 - 6xy - y^2, \quad -\infty < x < \infty \text{ and } -\infty < y < \infty,

and classify each critical point as a location where a local maximum, local minimum, or saddle point occurs.

(4) 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求尋找並分類二元函數 f(x,y)f(x,y) 的所有臨界點。
  2. 第一步:尋找臨界點 我們求出偏導數 fx(x,y)f_x(x,y) 與 fy(x,y)f_y(x,y),並令它們同時等於 00,聯立求解得出所有可能點 (x,y)(x, y)。
  3. 第二步:臨界點分類 我們利用二階偏導數判別法 (Second Derivative Test for two variables)。 計算二階偏導數 fxxf_{xx}、fyyf_{yy}、fxyf_{xy},並建構判別式(黑塞矩陣行列式): D(x,y)=fxxfyy−(fxy)2D(x, y) = f_{xx} f_{yy} - (f_{xy})^2
    • 若 D>0D > 0 且 fxx>0f_{xx} > 0,則該點為局部極小點 (local minimum)。
    • 若 D>0D > 0 且 fxx<0f_{xx} < 0,則該點為局部極大點 (local maximum)。
    • 若 D<0D < 0,則該點為鞍點 (saddle point)。
    • 若 D=0D = 0,判別法失效。

答題過程

展開

第一步:尋找臨界點

我們分別對 xx 與 yy 求偏導數:

fx(x,y)= 3x2−6yfy(x,y)= −6x−2y\begin{align*} f_x(x, y) =&\, 3x^2 - 6y \\[4mm] f_y(x, y) =&\, -6x - 2y \end{align*}

令偏導數同時為 00,得到聯立方程式:

{3x2−6y=0— (1)−6x−2y=0— (2)\begin{align*} \begin{cases} 3x^2 - 6y = 0 & \text{--- (1)} \\[2mm] -6x - 2y = 0 & \text{--- (2)} \end{cases} \end{align*}

由式 (2) 可得關係式:

2y=−6x  ⟹  y=−3x2y = -6x \implies y = -3x

將 y=−3xy = -3x 代回式 (1) 中:

3x2−6(−3x)= 03x2+18x= 03x(x+6)= 0\begin{align*} 3x^2 - 6(-3x) =&\, 0 \\[4mm] 3x^2 + 18x =&\, 0 \\[4mm] 3x(x+6) =&\, 0 \end{align*}

求解可得 x=0x = 0 或 x=−6x = -6。

  • 當 x=0x = 0 時,y=−3(0)=0y = -3(0) = 0。得到第一個臨界點:(0,0)(0, 0)。
  • 當 x=−6x = -6 時,y=−3(−6)=18y = -3(-6) = 18。得到第二個臨界點:(−6,18)(-6, 18)。

第二步:利用二階偏導數判別法分類

我們求出所有的二階偏導數:

fxx(x,y)= ∂∂x(3x2−6y)=6xfyy(x,y)= ∂∂y(−6x−2y)=−2fxy(x,y)= ∂∂y(3x2−6y)=−6\begin{align*} f_{xx}(x, y) =&\, \frac{\partial}{\partial x}(3x^2-6y) = 6x \\[4mm] f_{yy}(x, y) =&\, \frac{\partial}{\partial y}(-6x-2y) = -2 \\[4mm] f_{xy}(x, y) =&\, \frac{\partial}{\partial y}(3x^2-6y) = -6 \end{align*}

建構判別式 D(x,y)D(x, y):

D(x,y)= fxxfyy−(fxy)2= (6x)(−2)−(−6)2= −12x−36\begin{align*} D(x, y) =&\, f_{xx} f_{yy} - (f_{xy})^2 \\[4mm] =&\, (6x)(-2) - (-6)^2 \\[4mm] =&\, -12x - 36 \end{align*}

現在,我們分別對兩個臨界點進行判別分類:

  1. 對於點 (0,0)(0, 0):

    D(0,0)=−12(0)−36=−36<0D(0, 0) = -12(0) - 36 = -36 < 0

    由於 D<0D < 0,故 (0,0)(0, 0) 處發生鞍點 (saddle point)。

  2. 對於點 (−6,18)(-6, 18):

    D(−6,18)=−12(−6)−36=72−36=36>0D(-6, 18) = -12(-6) - 36 = 72 - 36 = 36 > 0

    此時 D>0D > 0,我們需進一步檢查 fxxf_{xx} 的正負號:

    fxx(−6,18)=6(−6)=−36<0f_{xx}(-6, 18) = 6(-6) = -36 < 0

    由於 D>0D > 0 且 fxx<0f_{xx} < 0,說明函數在此處向下彎曲,故 (−6,18)(-6, 18) 處發生局部極大值 (local maximum)。

    該局部極大值大小為:

    f(−6,18)= (−6)3−6(−6)(18)−(18)2= −216+648−324= 108\begin{align*} f(-6, 18) =&\, (-6)^3 - 6(-6)(18) - (18)^2 \\[4mm] =&\, -216 + 648 - 324 \\[4mm] =&\, 108 \end{align*}

綜上所述,臨界點分類結果為:

  • (0,0)(0,0) 為鞍點 (saddle point)。
  • (−6,18)(-6,18) 為局部極大點 (local maximum),其局部極大值為 108108。