EXTREMVÄRDEN FÖR FUNKTIONER AV TVÅ VARIABLER. Lokala
Transcription
EXTREMVÄRDEN FÖR FUNKTIONER AV TVÅ VARIABLER. Lokala
Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Extremvärden för funktioner av två variabler EXTREMVÄRDEN FÖR FUNKTIONER AV TVÅ VARIABLER. Lokala extremvärden för funktioner av två variabler Låt = ( , )vara en funktion från ett område D i D. Vi säger att punkten ( a, b) är stationär om till R. Låt ( , )vara en inre punkt av f x′( a, b) = 0 och f y′( a, b) = 0 . Låt ( a, b) vara en stationär punkt och = ( , ), = ( , ) ℎ = ( , ) Punktens karaktär bestäms då med hjälp av följande tabell: − >0 >0 <0 0 >0 <0 Punktens karaktär minimum maximum sadelpunkt annan metod måste tillämpas **************************************************************** Förklaring: Låt A= ( a, b) vara en stationär punkt dvs f x′( a, b) = 0 och f y′( a, b) = 0 . Låt P=(x,y) vara en punkt i närheten av A. Beteckna Δx = x − a och Δy = y − a . Enligt Taylors formel av andra ordningen kring punkten (a,b) har vi (eftersom f x′ = 0 , f y′ = 0 ) f ( x, y ) − f ( a, b) = 1 ∂2 f ∂2 f ∂2 f [ Δ x 2 2 ( a , b ) + 2 Δx Δ y ( a, b) + Δy 2 2 ( a, b)] + R 2! ∂x ∂x∂y ∂y 1 1 = [ AΔx 2 + 2 BΔyΔy + CΔy 2 ] + R = [ A2 Δx 2 + 2 ABΔxΔy + ACΔy 2 ] + R 2 2A Kvadratkomplettering ger f ( x, y ) − f ( a, b) = 1 [( AΔx + BΔy ) 2 + ( AC − B 2 )Δy 2 ] + R 2A Resttermen R kan skrivas som R = (h 2 ) 3 + k 2 B (h, k ) där B ( h, k ) är begränsad nära (0,0) är i allmänt försumbar jämfört med den kvadratiska formen K= 1 [( AΔx + BΔy ) 2 + ( AC − B 2 )Δy 2 ] . 2A Sida 1 av 3 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Extremvärden för funktioner av två variabler i) Om ( AC − B 2 ) > 0 och A> 0 blir K>0 ( i parentesen är summan av två kvadrater) för alla ( Δx, Δy ) ≠ (0,0) dvs f ( x, y ) − f ( a, b) > 0 för alla ( x, y ) ≠ ( a, b) . Därmed är ( a, b) minimipunkten i detta fall . ii) Om ( AC − B 2 ) > 0 och A<0 blir K<0 för alla ( Δx, Δy ) ≠ (0,0) dvs f ( x, y ) − f ( a, b) < 0 för alla ( x, y ) ≠ ( a, b) . Därmed är ( a, b) maximipunkten i detta fall . iii) Om ( AC − B 2 ) < 0 (i parentesen är differensen av två kvadrater) då antar f ( x, y ) − f ( a, b) både positiva och negativa värden i närheten av punkten ( a, b) . Därmed är ( a, b) inte någon extrempunkt. iv ) Om ( AC − B 2 ) = 0 då är f ( x, y ) − f ( a, b) = 1 [( AΔx + BΔy ) 2 ] + R . Utrycket 2A ( AΔx + BΔy ) 2 kan bli 0 även om ( Δx, Δy ) ≠ (0,0) t ex om AΔx = − BΔy . Därför tecknet av f ( x, y ) − f ( a, b) påverkas av resttermen R. I detta fall måste vi använda Taylorutveckling av högre ordning för att undersöka punkten A. ================================================================ ÖVNINGAR Uppgift 1. Bestäm alla stationära punkter till funktionen f ( x, y ) = 10 + x 3 + y 3 − 3xy och avgör deras karaktär ( max, min sadel, ..) g) Lösning: f x′ = 3x 2 − 3 y f y′ = 3 y 2 − 3 x För att bestämma eventuella stationära punkter löser vi systemet: f x′ = 0 , f y′ = 0 . ⎧ f x′ = 0 ⇒ ⎨ ′ ⎩ fy = 0 ⎧3 x 2 − 3 y = 0 ⎧ x 2 − y = 0 ( ekv1) ⇒⎨ 2 ⎨ 2 ⎩3 y − 3x = 0 ⎩ y − x = 0 ( ekv 2) Från ekv 1 får vi y = x2 (*) som vi substituerar i ekv2 : Sida 2 av 3 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Extremvärden för funktioner av två variabler x 4 − x = 0 ⇒ x( x 3 − 1) = 0 ⇒ x1 = 0, x2 = 1 Från (*) y1 = 0, y2 = 1 Alltså har vi två stationära punkter: P1(0,0) och P2(0,0) A = f xx′′ = 6 x , B = f xy′′ = −3 , C = f yy′′ = 6 y Vi avgör punkternas karaktär med hjälp av följande tabell AC − B 2 0 -3 0 -9 6 -3 6 27 Punkt A B (0,0) (1,1) C typ f(x,y) sadelpunkt 10 minimum (A>0) 9 Svar: Punkten (0,0) är en sadelpunkt. Funktionen har minimum i punkten (1,1) ; fmin =f(1,1)=9. Uppgift 2. Bestäm alla stationära punkter och avgör deras karaktär (max, min sadel, ..) för nedanstående funktioner: a) f ( x, y ) = 4 x 2 + y 2 + 4 b) f ( x, y ) = − x 2 − 2 x − y 2 + 4 y + 11 c) f ( x, y ) = e x 2 + y 2 + 2 y +5 d) f ( x, y ) = 2 x 3 + 2 y 2 − 12 xy + 10 e) f ( x, y ) = 2 x 3 + 2 y 3 − 6 xy + 10 f) f ( x, y ) = xy − x 3 − y 2 + 20 Svar: a) Minimum f min = 4 i punkten (0,0) b) Maximum f max = 16 i punkten (−1,2) c) Minimum f min = e 4 i punkten (0,−1) d) Sadelpunkt i (0,0) , f (0,0) = 10 och minimum f min = −208 e) Sadelpunkt i (0,0) , f (0,0) = 10 och minimum f min = 8 f) ( 0,0) sadelpunkt, (1/6, 1/12) maximum Sida 3 av 3 i punkten (6,18) i punkten (1,1)