2変数関数の極値

■問題

次の関数の極値を求めよ.

f( x,y )= x 2 +2 y 2 +10x

■答

点 ( −5,0 ) で極小値 −25 をとる.

■ヒント

2変数関数の極値の定理1を使用する.

与えられた関数を x,y でそれぞれ偏微分し,連立方程式

{ ∂ ∂x f( x,y )=0 ∂ ∂y f( x,y )=0

とし,その解 x,y = a,b を求める.

更に

∂ 2 ∂ x 2 f x,y = f xx x,y , ∂ 2 ∂ y 2 f x,y = f yy x,y , ∂ 2 ∂y∂x f x,y = f xy x,y

をそれぞれ求め

A= f xx ( a,b ) ,  D= { f xy ( a,b ) } 2 − f xx ( a,b )· f yy ( a,b )

を計算して極値を判定する.

■解説

与式を x で偏微分(偏導関数の定義より, y を定数とみなして x で微分)すると

∂ ∂x f( x,y ) = ∂ ∂x ( x 2 +2 y 2 +10x ) =2x+10

次に f( x,y ) を y で偏微分(偏導関数の定義より, x を定数とみなして y で微分)すると

∂ ∂y f( x,y ) = ∂ ∂y ( x 2 +2 y 2 +10x ) =4y

両者を連立させる.

{ 2x+10=0 ⋯⋯( 1 ) 4y=0 ⋯⋯( 2 )

(1)から

2x =−10

x =−5

(2)から

y=0

以上から極値をとる候補は ( −5,0 ) となる.

次に

∂ 2 ∂ x 2 f x,y = f xx x,y , ∂ 2 ∂ y 2 f x,y = f yy x,y , ∂ 2 ∂y∂x f x,y = f xy x,y

をそれぞれ求める.

f xx x,y = ∂ 2 ∂ x 2 f( x,y ) = ∂ ∂x ( ∂ ∂x f( x,y ) ) = ∂ ∂x ( 2x+10 ) =2

f yy x,y = ∂ 2 ∂ y 2 f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂y f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( 4y ) =4

f xy x,y = ∂ 2 ∂y∂x f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂x f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( 2x+10 ) =0

以上から A,D を求めると

A = f xx 5,0 =2

D = f xy 5,0 2 − f xx 5,0 · f yy 5,0 = 0 2 −2·4 =−8

となる.

A>0,D<0 より,点 ( −5,0 ) で極小となる.

この点での値は

f( −5,0 ) = ( −5 ) 2 +2· 0 2 +10·( −5 ) =25+0−50 =−25

したがって,この関数は点 ( −5,0 ) で極小値 −25 をとる.

 

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最終更新日: 2023年9月21日