計算證明題:試求函數 \(f(x,y)=x+y^2\) 在單位圓 \(\displaystyle\left\{(x,y)\Big|x^2+y^2=1\right\}\) 上的極值,並找出發生極值的點。
解一、
\(\displaystyle f(x,y)=x+y^2=x+\left(1-x^2\right)=-\left(x-\frac{1}{2}\right)^2+\frac{5}{4}\leq\frac{5}{4}\)
因為 \(y^2=1-x^2\geq0\Rightarrow -1\leq x\leq1\),
所以,
當 \(\displaystyle x=\frac{1}{2}\) 時,\(f(x,y)\) 有最大值為 \(\displaystyle\frac{5}{4}\),此時 \(\displaystyle(x,y)=(\frac{1}{2},\frac{\pm\sqrt{3}}{2})\)。
當 \(\displaystyle x=-1\) 時,\(f(x,y)\) 有最小值為 \(-1\),此時 \((x,y)=(-1,0)\)。
解二、
令 \((x,y)=(\cos\theta,\sin\theta)\),其中 \(0 \leq\theta<2\pi\),
則 .......(後半段跟"解一"差不多,表示成 \(\cos\theta\) 的一元二次方程式,再配方求極值。)
解三、
令 \(g(x,y,k)=x+y^2+k\left(x^2+y^2-1\right)\),
解聯立方程式 \(\displaystyle\frac{\partial g}{\partial x}=\frac{\partial g}{\partial y}=\frac{\partial g}{\partial k}=0\),
可得 \(\displaystyle(x,y,k)=\left(-1,0,\frac{1}{2}\right),\left(1,0,\frac{-1}{2}\right),\left(\frac{1}{2},\frac{\sqrt{3}}{2},-1\right),\left(\frac{1}{2},\frac{-\sqrt{3}}{2},-1\right)\)
可得極值 \(f(-1,0)=-1\),\(f(1,0)=1\),\(\displaystyle f(\frac{1}{2},\frac{\pm\sqrt{3}}{2})=\frac{5}{4}\)。