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 −12x−27y

■答

点 ( 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 ∂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 3 + y 3 −12x−27y ) =3 x 2 −12

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 3 + y 3 −12x−27y ) =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 ∂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 ( 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 ∂y∂x 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 −12·2−27·3 =8+27−24−81 =−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 ) =−8−27+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