2変数関数の極値

■問題

次の関数の極値を求めよ.

f( x,y )=xy( x−2y−3 )

■答

( 1,− 1 2 ) で極大値 1 2 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

与式を展開する.

f( x,y ) =xy( x−2y−3 ) = x 2 y−2x y 2 −3xy

これを 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 y−2x y 2 −3xy ) =2xy−2 y 2 −3y

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 y−2x y 2 −3xy ) = x 2 −4xy−3x

両者を連立させる.

{ 2xy−2 y 2 −3y=0 ⋯⋯( 1 ) x 2 −4xy−3x=0 ⋯⋯( 2 )

(1)は

2xy−2 y 2 −3y =0

y( 2x−2y−3 ) =0

となり, y=0 または 2x−2y−3=0 を満たせば良い.

同様に(2)も,

x 2 −4xy−3x =0

x( x−4y−3 ) =0

となり, x=0 または x−4y−3=0 を満たせば良い.

よってこの連立方程式の解は

(i) { y=0 x=0

(ii) { y=0 x−4y−3=0 ⋯⋯( 3 )

(iii) { 2x−2y−3=0 ⋯⋯( 4 ) x=0

(iv) { 2x−2y−3=0 ⋯⋯( 4 ) x−4y−3=0 ⋯⋯( 3 )

これら4組の連立方程式の解となる.

(i)の連立方程式の解は x,y = ( 0,0 )

(ii)の連立方程式の解は y=0 を(3)に代入して

x−4·0−3 =0 , x−3 =0 , x =3

よって, x,y = ( 3,0 )

(iii)の連立方程式の解は x=0 を(4)に代入して

2·0−2y−3 =0 , −2y−3 =0 , −2y =3 , y =− 3 2

よって, x,y = ( 0,− 3 2 )

(iv)の連立方程式の解は(4)から

2x−2y−3 =0 , 2x =2y+3 , x =y+ 3 2  ・・・・・・(5)

これを(3)に代入して

y+ 3 2 −4y−3 =0 , −3y+ 3−6 2 =0 , −3y− 3 2 =0 , −3y = 3 2 , y =− 1 2

求めた y を(5)に代入して

x =− 1 2 + 3 2 = −1+3 2 = 2 2 =1

よって,(i),(ii),(iii),(iv)より極値をとる候補は ( 0,0 ),( 3,0 ),( 0,− 3 2 ),( 1,− 1 2 ) の4点となる.

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 ( 2xy−2 y 2 −3y ) =2y

f yy x,y = ∂ 2 ∂ y 2 f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂y f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( x 2 −4xy−3x ) =−4x

f xy x,y = ∂ 2 ∂y∂x f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂x f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( 2xy−2 y 2 −3y ) =2x−4y−3

x,y = a,b における A , D の値は

A = f xx ( a,b ) =2b

D = { f xy ( a,b ) } 2 − f xx ( a,b )· f yy ( a,b ) = ( 2a−4b−3 ) 2 −2b·( −4a )

= ( 2a−4b−3 ) 2 +8ab

これを元に各点における A,D を求める.

●点 ( 0,0 ) においては

A =2·0 =0

D = ( 2·0−4·0−3 ) 2 +8·0·0 = ( −3 ) 2 +0 =9

D>0 となり ( 0,0 ) は極値ではない.

●点 ( 3,0 ) においては

A =2·0 =0

D = ( 2·3−4·0−3 ) 2 +8·3·0 = ( 6−3 ) 2 +0 = 3 2 =9

D>0 となり ( 3 ,0 ) は極値ではない.

●点 ( 0,− 3 2 ) においては

A =2·( − 3 2 ) =−3

D = { 2·0−4·( − 3 2 )−3 } 2 +8·0·( − 3 2 ) = ( 6−3 ) 2 −0 = 3 2 =9

D>0 となり ( 0,− 3 2 ) は極値ではない.

●点 ( 1,− 1 2 ) においては

A =2·( − 1 2 ) =−1

D = { 2·1−4·( − 1 2 )−3 } 2 +8·1·( − 1 2 ) = ( 2+2−3 ) 2 −4 = ( −1 ) 2 −4 =1−4 =−3

となり, A<0,D<0 より点 ( 1,− 1 2 ) で極大となる.

この点での値は

f( 1,− 1 2 ) =1·( − 1 2 ){ 1−2·( − 1 2 )−3 } =− 1 2 ( 1+1−3 ) =− 1 2 ·( −1 ) = 1 2

以上からこの関数は点 ( 1,− 1 2 ) で極大値 1 2 をとる.

 

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最終更新日: 2023年9月21日