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 3 + y 3 12x27y

■答

( 2,3 ) で極小値 70 をとり,点 ( 2,3 ) で極大値 70 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 yx 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 3 + y 3 12x27y ) =3 x 2 12

次に f( x,y ) 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 3 + y 3 12x27y ) =3 y 2 27

両者を連立さる.

{ 3 x 2 12=0( 1 ) 3 y 2 27=0( 2 )

(1)から

3 x 2 12 =0 3 x 2 =12 x 2 =4 x =±2

次に(2)から

3 y 2 27 =0 3 y 2 =27 y 2 =9 y =±3

以上から極値をとる候補は ( 2,3 ) ( 2,3 )( 2,3 )( 2,3 ) 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 yx 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 ( 3 x 2 12 ) =6x

f yy x,y = 2 y 2 f( x,y ) = y ( y f( x,y ) ) = y ( 3 y 2 27 ) =6y

f xy x,y = 2 yx f( x,y ) = y ( x f( x,y ) ) = y ( 3 x 2 12 ) =0

x,y = a,b における A D の値は

A = f xx ( a,b ) =6a

D = { f xy ( a,b ) } 2 f xx ( a,b )· f yy ( a,b ) = 0 2 6a·6b =36ab

これを元に各点における A,D を求める.

●点 ( 2,3 ) においては

A =6·2 =12

D =36·2·3 =216

となり A>0,D<0 から点 ( 2,3 ) で極小となる.

この点での値は

f( 2,3 ) = 2 3 + 3 3 12·227·3 =8+272481 =70

●点 ( 2,3 ) においては

A =6·2 =12

D =36·2·( 3 ) =216

D>0 となり ( 2,3 ) は極値ではない.

●点 ( 2,3 ) においては

A =6·( 2 ) =12

D =36·( 2 )·3 =216

D>0 となり ( 2,3 ) は極値ではない.

●点 ( 2,3 ) においては

A =6·( 2 ) =12

D =36·( 2 )·( 3 ) =216

となり, A<0,D<0 から点 ( 2,3 ) で極大となる.

この点での値は

f( 2,3 ) = ( 2 ) 3 + ( 3 ) 3 12·( 2 )27·( 3 ) =827+24+81 =70

以上からこの関数は点 ( 2,3 ) で極小値 70 をとり,点 ( 2,3 ) で極大値 70 をとる.

 

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最終更新日: 2024年5月28日