두 방향에서 높이가 같으면, 가장 낮은 점일까요?

z=xy 표면은 원점을 지나는 두 좌표축 방향에서 높이가 일정해요. 그런데 원점이 가장 낮은 점인지는 모든 방향에서 따로 확인해야 해요. 아무리 가까운 범위에도 더 높은 점과 더 낮은 점이 남는 이유를 살펴봐요.

파란색과 초록색 면의 종이접기 상자와 뚜껑

사진: Maggie · CC BY-SA 2.0 · 원본 출처

표면 z=xy에서 원점을 지나는 x축과 y축 방향을 따라가면 높이가 항상0입니다. 그러므로 원점은 주변의 모든 점보다 낮거나 같은 점이라는 주장에 반례를 들어라. 주변은 원점에서 수평거리 ε보다 작은 점들로 정해요.

z(x,0)=z(0,y)=0,ε>0.z(x,0)=z(0,y)=0,\qquad \varepsilon>0.

좌표축 위의 검사는 맞아요. 그러나 두 직선은 원점 주변의 모든 방향을 채우지 않아요. 두 방향의 기록이 같다는 사실을 다른 방향의 부등식으로 확대할 근거가 없어요.

ε가 아무리 작아도 그 안에 들어갈 t를 고를 수 있어요. 두 대각 방향에서 부호가 반대인 높이를 얻어요.

z(t,t)=t2>0,z(t,−t)=−t2<0,2t<ε.z(t,t)=t^2>0,\qquad z(t,-t)=-t^2<0,\qquad \sqrt2t<\varepsilon.

멀리 있는 반례 두 점만 찍으면 “더 작은 주변에서는 최소일 수 있다”는 답이 남아요. ε를 임의로 놓고 그보다 가까운 점을 만드는 이유가 여기에 있어요. 좌표축 검사 실패를 국소적 극값의 정의까지 연결해요.

교사는 단면 그림을 더 많이 그리라는 말에서 끝내지 않고 어떤 범위의 점 전체를 비교해야 하는지 물어요. 이 글은 부분미분의 일반 판정법을 가르치는 글이 아니에요. 두 방향의 평탄함과 모든 방향의 최소 조건이 다른 명제임을 고등학교 수준의 곱과 부등식으로 확인해요.

착안 원문: Hyperbolic Paraboloid Model. 문항의 좌표·조건·논증은 새로 구성했어요. 원문 도판이나 활동 지시의 번역이 아니에요.

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