2変数関数の極値

■問題

次の関数の極値を求めよ.

f( x,y )=4 x 2 +2xy+ y 2 +4x+4y

■答

点 ( 0,−2 ) で極小値 −4 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 ( 4 x 2 +2xy+ y 2 +4x+4y ) =8x+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 ( 4 x 2 +2xy+ y 2 +4x+4y ) =2x+2y+4

両者を連立させる.

{ 8x+2y+4=0 ⋯⋯( 1 ) 2x+2y+4=0 ⋯⋯( 2 )

(2)から

2x+2y+4 =0

x+y+2 =0

x =−y−2  ・・・・・・(3)

これを(1)に代入する.

8( −y−2 )+2y+4 =0

−8y−16+2y+4 =0

−6y−12 =0

−6y =12

y =−2

求めた y を(3)に代入する.

x =−( −2 )−2 =2−2 =0

以上から極値をとる候補は ( 0,−2 ) 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 ( 8x+2y+4 ) =8

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

f xy x,y = ∂ 2 ∂y∂x f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂x f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( 8x+2y+4 ) =2

以上から A,D を求めると

A = f xx 0,−2 =8

D = f xy 0,−2 2 − f xx 0,−2 · f yy 0,−2 = 2 2 −8·2 =4−16 =−12

となる.

A>0,D<0 より,点 ( 0,−2 ) で極小となる.

この点での値は

f( 0,−2 ) =4· 0 2 −2·0·( −2 )+ ( −2 ) 2 +4·0 +4·( −2 )

=0+0+4+0−8

=−4

従って,この関数は点 ( 0,−2 ) で極小値 −4 をとる.

 

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最終更新日: 2023年9月21日