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106 政大微積分 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

106學年度 · 106微積分 · 第 4 題

題目

Problem

Suppose that f(x,y)f(x,y) is a differentiable function of (x,y)(x,y) for (x,y)∈R2(x,y)\in\mathbb{R}^2, and fxxf_{xx}, fxyf_{xy}, and fyyf_{yy} are continuous on {(x,y):−2<x<2 and −1<y<1}\{(x,y):-2<x<2\text{ and }-1<y<1\}. Suppose that

fx(1,0)=0=fy(1,0),fxx(1,0)=4,fxy(1,0)=fyx(1,0)=3,fyy(1,0)=2.f_x(1,0)=0=f_y(1,0),\qquad f_{xx}(1,0)=4,\qquad f_{xy}(1,0)=f_{yx}(1,0)=3,\qquad f_{yy}(1,0)=2.

(a) (10 pts) Let g(t)=f(e3t,sin⁡(t))g(t)=f(e^{3t},\sin(t)) for t∈Rt\in\mathbb{R}. Does gg have a relative minimum at 00? Justify your answer.

(b) (10 pts) Does ff have a relative minimum at (1,0)(1,0)? Justify your answer.

解答

解法一

思路

展開
  • (a) 先以多變數鏈鎖規則求 g′(0)g'(0)、g′′(0)g''(0);一變數二階導數判別可判斷 gg 的局部極小。
  • (b) 直接檢查 ff 的 Hessian 判別式;若行列式為負,該點是鞍點。

答題過程

展開

(a) 設 x(t)=e3tx(t)=e^{3t}、y(t)=sin⁡ty(t)=\sin t。在 t=0t=0,

x=1,y=0,x′=3,y′=1,x=1,\quad y=0,\quad x'=3,\quad y'=1,

且已知 fx(1,0)=fy(1,0)=0f_x(1,0)=f_y(1,0)=0,故 g′(0)=0g'(0)=0。再由鏈鎖規則,所有含 fx,fyf_x,f_y 的項在 t=0t=0 消失:

g′′(0)= fxx(1,0)(x′)2+2fxy(1,0)x′y′+fyy(1,0)(y′)2= 4⋅9+2⋅3⋅3⋅1+2⋅12=56>0.\begin{align*} g''(0) =&\,f_{xx}(1,0)(x')^2+2f_{xy}(1,0)x'y'+f_{yy}(1,0)(y')^2\\[4mm] =&\,4\cdot9+2\cdot3\cdot3\cdot1+2\cdot1^2 =56>0. \end{align*}

因此 g 在 t=0 有相對極小值\boxed{g\text{ 在 }t=0\text{ 有相對極小值}}。

(b) ff 在 (1,0)(1,0) 的 Hessian 判別式是

∣4332∣=8−9=−1<0.\begin{vmatrix}4&3\\3&2\end{vmatrix}=8-9=-1<0.

故 (1,0)(1,0) 是鞍點,f 在 (1,0) 沒有相對極小值\boxed{f\text{ 在 }(1,0)\text{ 沒有相對極小值}}。