2変数関数の極値

■問題

次の関数の極値を求めよ.

f( x,y )=cosx+cosy+cos( x+y )  0<x<π,0<y<π

■答

( 2 3 π, 2 3 π ) で極小値 − 3 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 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 ( cosx+cosy+cos( x+y ) ) =−sinx−sin( x+y )·1 =−sinx−sin( x+y )

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 ( cosx+cosy+cos( x+y ) ) =−siny−sin( x+y )·1 =−siny−sin( x+y )

両者を連立させる.

{ −sinx−sin( x+y )=0 ⋯⋯( 1 ) −siny−sin( x+y )=0 ⋯⋯( 2 )

(1)から

−sinx−sin( x+y ) =0 , sin( x+y ) =−sinx

これを(2)に代入する.

−siny−( −sinx ) =0 , −siny+sinx =0 , siny =sinx

0<x<π , 0<y<π より

y =x , y=π−x  (∵ sinθ=sin π−θ  ここを参照)

◇ y=x の時

この関係を(1)に代入して

−sinx−sin( x+x ) =0 , sinx+sin2x =0 , sinx+2sinxcosx =0 (2倍角の公式を使用する), sinx( 1+2cosx ) =0

0<x<π より sinx≠0 ,よって

1+2cosx=0

この方程式を解く.

1+2cosx =0 , 2cosx =−1 , cosx =− 1 2

0<x<π の条件から,これを満たす x は

x= 2 3 π  ここを参照

y=x の関係から,極値をとる候補は ( 2 3 π, 2 3 π ) の1点となる.

◇ y=π−x の時

この関係を(1)に代入する.

−sinx−sin x+π−x =0 , −sinx−sinπ=0 , −sinx=0 , sinx=0

sinx≠0 より, y=π−x のとき解なし.


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 ( −sinx−sin( x+y ) )

=−cosx−cos( x+y )

f xy x,y = ∂ 2 ∂y∂x f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂x f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( −sinx−sin( x+y ) ) =−cos( x+y )

f yy x,y = ∂ 2 ∂ y 2 f( x,y ) = ∂ ∂y ( ∂ ∂y f( x,y ) ) = ∂ ∂y ( −siny−sin( x+y ) )

=−cosy−cos( x+y )

x,y = a,b における A , D の値は

A = f xx ( a,b ) =−cosa−cos( a+b )

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

= { −cos( a+b ) } 2 −( −cosa−cos( a+b ) )·( −cosb−cos( a+b ) )

= { −cos( a+b ) } 2 −{ cosa+cos( a+b ) }·{ cosb+cos( a+b ) }

これを元に各点における A,D を求める.

●点 ( 2 3 π, 2 3 π ) においては

A =−cosx−cos( x+y ) =−cos 2 3 π−cos( 2 3 π+ 2 3 π )

=−cos 2 3 π−cos 4 3 π =−( − 1 2 )−( − 1 2 ) = 1 2 + 1 2 =1

D = { −cos( 2 3 π+ 2 3 π ) } 2

−{ cos 2 3 π+cos( 2 3 π+ 2 3 π ) }·{ cos 2 3 π+cos( 2 3 π+ 2 3 π ) }

= ( −cos 4 3 π ) 2 −( cos 2 3 π+cos 4 3 π )·( cos 2 3 π+cos 4 3 π )

= { −( − 1 2 ) } 2 −( − 1 2 − 1 2 )·( − 1 2 − 1 2 )

= ( 1 2 ) 2 −( −1 )·( −1 ) = 1 4 −1 =− 3 4

以上より, A>0,D<0 から点 ( 2 3 π, 2 3 π ) で極小となる.

この点での値は

f( 1,1 ) =cos 2 3 π+cos 2 3 π+cos( 2 3 π+ 2 3 π )

=cos 2 3 π+cos 2 3 π+cos 4 3 π =− 1 2 − 1 2 − 1 2 =− 3 2

従って,この関数は点 ( 2 3 π, 2 3 π ) で極小値 − 3 2 をとる.

 

ホーム>>カテゴリー分類>>微分>>偏微分>>問題演習>>2変数関数の極値

学生スタッフ作成

最終更新日: 2023年9月22日