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+ 1 x + 1 y

■答

点 ( 1,1 ) で極小値 3 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.

■解答

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 ( xy+ 1 x + 1 y ) =y− 1 x 2

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 ( xy+ 1 x + 1 y ) =x− 1 y 2

両者を連立させる.

{ y− 1 x 2 =0 ⋯⋯( 1 ) x− 1 y 2 =0 ⋯⋯( 2 )

(1)から

y− 1 x 2 =0 , y = 1 x 2  ・・・・・・(3)

これを(2)に代入する.

x− 1 1 x 2 =0 , x− 1× x 2 1 x 2 × x 2 =0 (分数の性質を用いる.), x− x 2 1 =0 , x− x 2 =0 , x 2 −x =0 , x( x−1 ) =0

{ x=0 x−1=0 ⋯⋯( 4 )

(4)から

x−1 =0 , x =1

また,与式より x≠0 である.

よって

x=1

x= 1 を(3)に代入する.

y = 1 1 2 =1

以上から極値をとる候補は ( 1, 1 ) 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 ( y− 1 x 2 ) = 2 x 3

f yy x,y = ∂ 2 ∂ y 2 f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂y f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( x− 1 y 2 ) = 2 y 3

f xy x,y = ∂ 2 ∂y∂x f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂x f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( y− 1 x 2 ) = 1

x,y = a,b における A , D の値は

A = f xx ( a,b ) = 2 a 3

D = { f xy ( a,b ) } 2 − f xx ( a,b )· f yy ( a,b ) = 1 2 − 2 a 3 · 2 b 3 =1− 4 a 3 b 3

これを元に各点における A,D を求める.

●点 ( 1,1 ) においては

A = 2 1 3 = 2 1 =2

D =1− 4 1 3 · 1 3 =1− 4 1·1 =1− 4 1 =1−4 =−3

以上より, A > 0 , D < 0 より,点 ( 1 , 1 ) で極小となる.

この点での値は

f( 1,1 ) =1·1+ 1 1 + 1 1 =1+1+1 =3

従って,この関数は点 ( 1,1 ) で極小値 3 をとる.

 

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最終更新日: 2023年9月21日