陰関数の極値

■問題

次の関係で定義される陰関数 y=ϕ( x ) の極値を調べよ.

x 4 −16xy+3 y 4 =0

■答

x=−2 のとき,極小値 −2 をとり, x=2 のとき,極大値 2 をとる.
( 0,0 ) は特異点である.

■ヒント

関数の極値の定理2を用いて極大・極小を判断する.

■解説

f( x,y )= x 4 −16xy+3 y 4  ・・・・・・(1)

とおく.

(1)を偏導関数の定義より, y   を定数とみなして x   で微分する.

f x = ∂ ∂x f( x,y ) = ∂ ∂x ( x 4 −16xy+3 y 4 ) =4 x 3 −16y

よって, f x x,y =0 となるのは

4 x 3 −16y =0

−16y =−4 x 3

y = 1 4 x 3  ・・・・・・(2)

この関係を与式に代入して

x 4 −16x·( 1 4 x 3 )+3· ( 1 4 x 3 ) 4 =0

x 4 −4 x 4 + 3 4 4 x 12 =0

3 4 4 x 12 −3 x 4 =0

1 4 4 x 12 − x 4 =0

1 4 4 x 12 − x 4 =0

( 1 4 x 3 ) 4 − x 4 =0

{ ( 1 4 x 3 ) 2 + x 2 }{ ( 1 4 x 3 ) 2 − x 2 } =0

{ ( 1 4 x 3 ) 2 + x 2 }( 1 4 x 3 +x )( 1 4 x 3 −x ) =0

{ ( 1 4 x 3 ) 2 + x 2 =0 ⋯⋯( 3 ) 1 4 x 3 +x=0 ⋯⋯( 4 ) 1 4 x 3 −x=0 ⋯⋯( 5 )

(3)より

1 16 x 6 + x 2 =0
x 2 ( 1 16 x 4 +1 ) =0

{ x 2 =0 ⋯⋯( 6 ) 1 16 x 4 +1=0 ⋯⋯( 7 )

(6)より

x=0

(7)より

1 16 x 4 =−1

x 4 =−16

となり,これを満たす x はない.

次に,(4)より

1 4 x 3 +x =0

x( 1 4 x 2 +1 ) =0

{ x=0 1 4 x 2 +1=0 ⋯⋯( 8 )

(8)より

1 4 x 2 =−1

となり,これを満たす x はない.

最後に(5)から

x 1 4 x 2 −1 =0

{ x=0 1 4 x 2 −1=0 ⋯⋯( 9 )

(9)から

1 4 x 2 =1

x 2 =4

x =±2

以上から, f x x,y =0 を満たす x は x=0,±2 となる.

故に極値をとる候補は,(2) の関係から

x=0 のとき

y=0

x=2 のとき

y = 1 4 · 2 3 = 1 4 ·8 =2

x=−2 のとき

y = 1 4 · ( −2 ) 3 = 1 4 ·( −8 ) =−2

となり, ( 0,0 ),( 2,2 ),( −2,−2 ) の3点となる.

次に,上記3点( y ′ =0 ,言い換えると, f x x,y =0 )における y ″ を求める.この場合

y ″ = d 2 y d x 2 =− f xx f y  ・・・・・・(10)

の関係がある.(関数の極値の定理2を参照)

f xx = ∂ ∂x f x = ∂ ∂x ( 4 x 3 −16y ) =12 x 2  ・・・・・・(11)

f y = ∂ ∂y ( x 4 −16xy+3 y 4 ) =−16x+12 y 3  ・・・・・・(12)

(11),(12)に(10)を代入して

y ″ =− 12 x 2 −16x+12 y 3 =− 3 x 2 −4x+3 y 3 = 3 x 2 4x−3 y 3


( 0,0 ) のとき y ″ は

y ″ = 3· 0 2 4·0−3· 0 3 =0

よって

y ″ =0

( 2,2 ) のとき y ″ は,

y ″ = 3· 2 2 4·2−3· 2 3 = 3·4 8−3·8 = 12 8−24 =− 12 16 =− 3 4

よって

y ″ <0


( −2,−2 ) のとき y ″ は

y ″ = 3· ( −2 ) 2 4·( −2 )−3· ( −2 ) 3 = 3·4 −8−3·( −8 ) = 12 −8+24 = 12 16 = 3 4

よって

y ″ >0

以上から, x=−2 のとき,極小値 −2 をとり, x=2 のとき,極大値 2 をとる.
( 0,0 ) は特異点である.

 

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最終更新日: 2023年9月18日