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 −2xy+3 y 2 −4x+5y

■答

( 7 4 ,− 1 4 ) で極小値 − 33 8 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 −2xy+3 y 2 −4x+5y ) =2x−2y−4

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 −2xy+3 y 2 −4x+5y ) =−2x+6y+5

両者を連立させる.

{ 2x−2y−4=0 ⋯⋯( 1 ) −2x+6y+5=0 ⋯⋯( 2 )

(1)から

2x−2y−4 =0

x−y−2 =0

x =y+2  ・・・・・・(3)

これを(2)に代入する.

−2( y+2 )+6y+5 =0

−2y−4+6y+5 =0

4y+1 =0

4y =−1

y =− 1 4

求めた y を(3)に代入する.

x =− 1 4 +2 = −1+8 4 = 7 4

以上から極値をとる候補は ( 7 4 ,− 1 4 ) 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−2y−4 ) =2

f yy x,y = ∂ 2 ∂ y 2 f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂y f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( −2x+6y+5 ) =6

f xy x,y = ∂ 2 ∂y∂x f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂x f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( 2x−2y−4 ) =−2

以上から A,D を求めると

A = f xx 7 4 , 1 4 =2

D = f xy 7 4 , 1 4 2 − f xx 7 4 , 1 4 · f yy 7 4 , 1 4 = ( −2 ) 2 −2·6 =4−12 =−8

となる.

A>0,D<0 より,点 ( 7 4 ,− 1 4 ) で極小となる.

この点での値は

f( 7 4 ,− 1 4 ) = ( 7 4 ) 2 −2· 7 4 ·( − 1 4 )+3· ( − 1 4 ) 2 −4· 7 4 +5·( − 1 4 )

= 49 16 + 14 16 + 3 16 −7− 5 4

= 49+14+3−112−20 16

=− 66 16

=− 33 8

従って,この関数は点 ( 7 4 ,− 1 4 ) で極小値 − 33 8 をとる.

 

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最終更新日: 2023年9月21日