background image

AM2 semII wykład 6 

 

 28.03.2012 

 

19 

E

KS TREMA LOKALNE  FUNKCJI

 

 
Załóżmy,  że funkcja f n zmiennych  jest określona w pewnym otoczeniu  punktu 

0

D

EFINICJA 

 

Funkcja f ma w punkcie 

0

 minimum lok alne właściwe, jeżeli istnieje  takie sąsiedztwo punktu 

0

, że 

dla każdego punktu   należącego do tego sąsiedztwa spełniona jest nierówność   

)

(

)

(

0

x

f

x

f

Funkcja f ma w punkcie 

0

 mak simum lok alne  właściwe, jeżeli istnieje  takie sąsiedztwo punktu 

0

że dla każdego punktu   należącego do tego sąsiedztwa spełniona  jest nierówność   

)

(

)

(

0

x

f

x

f

Jeżeli zamiast nierówności mocnej (>, < )zachodzi  nierówność słaba(

), to mówimy,  że funkcja f 

ma w 

0

 minimum  (maksimum). 

Minima  i maksima  (właściwe  lub  niewłaściwe)  nazywamy  ekstremami.  Ekstremum  jest 
lokalną  własnością  funkcji,  charakteryzuje  rozkład  wartości  funkcji  w dowolnie  małym 
otoczeniu  danego  punktu.  Nie należy  mylić  ekstremów  lokalnych  z ekstremami globalnymi 
czyli  z wartością  największą  oraz wartością  najmniejszą  funkcji  na zadanym  zbiorze. 
 

Przykład 
Korzystając z definicji  rozstrzygnąć,  czy funkcja f ma we wskazanym  punkcie ekstremum. 

a) 

2

2

)

,

(

y

x

y

x

f

   

)

0

,

0

(

 

b) 

)

4

)(

1

(

)

,

(

2

2

y

x

y

x

f

 

)

0

,

0

(

 

c) 

xy

y

x

f

)

,

(

  

)

0

,

0

(

 

 
TW.

 

W

ARUNEK  KONIECZNY  IS TNIENIA  EKS TREMUM 

(dowód dla n=2) 

Jeżeli funkcja f  ma w punkcie 

0

 ekstremum i ma w tym punkcie pochodne  cząstkowe rzędu 

pierwszego, to są one równe zero 

0

)

(

0

x

f

i

x

 dla 

n

i

1

0

)

(

0

x

gradf

 

 

Punkt 

0

, w których spełniony  jest warunek  

0

)

(

0

x

gradf

 

nazywamy punktem stacjonarnym funkcji f. 
 
W

NIOS EK 

 

Funkcja wielu zmiennych  może mieć ekstremum jedynie  w punktach stacjonarnych lub  w punktach, w 
których nie istnieje  przynajmniej  jedna pochodna cząstkowa rzędu pierwszego. 

background image

AM2 semII wykład 6 

 

 28.03.2012 

 

20 

W

IADOMOŚCI Z ALGEBRY 

 

DEFINICJA 

 

Niech 

)

(R

M

A

n

n

 będzie niezerową symetryczną macierzą , 

)

,

,

,

(

2

1

n

x

x

x

x

Funkcję 

R

R

n

:

 określoną wzorem 

n

j

i

j

i

ij

n

x

x

a

x

x

x

1

,

2

1

)

,

,

(

 

n

n

n

x

x

x

A

x

x

x

x

x

x

2

1

2

1

2

1

,

,

,

)

,

,

,

(

 

nazywamy formą kwadratową. 

Zauważmy, że 

n

j

i

ij

a

1

,

0

0

0

)

0

,

,

0

,

0

(

 

 
D

EF

Formę kwadratową 

R

R

n

:

 nazywamy  

a) określoną dodatnio,  
jeżeli 

0

)

(

x

dla każdego niezerowego wektora x  

 
b) określoną ujemnie,  
jeżeli 

0

)

(

x

dla każdego niezerowego wektora x 

 
c) nieokreśloną , 
jeżeli  istnieją  dwa różne punkty z 

n

R

 w których funkcja 

 przyjmuje  wartości różnych znaków 

0

)

(

)

(

,

y

x

R

y

x

n

 

 
d) półokreśloną dodatnio,  
jeżeli 

0

)

(

x

 dla każdego 

n

R

x

 i istnieje  niezerowy wektor 

x

 taki, że 

0

)

(

x

 

 
e) półokreśloną ujemnie,  
jeżeli 

0

)

(

x

 dla każdego 

n

R

x

 i istnieje  niezerowy wektor 

x

 taki, że 

0

)

(

x

 

 
 
S

TWIERDZEN IE 

(

TW

.

 

S

YLVES TERA

)

 

(dowód n=2) 

Forma kwadratowa 

n

j

i

j

i

ij

n

x

x

a

x

x

x

1

,

2

1

)

,

,

(

(symetryczna macierz A

a) jest dodatnio  określona

0

1

1

2

22

21

1

12

11

ii

i

i

i

i

a

a

a

a

a

a

a

a

a

 dla 

n

i

,

2

,

1

 

b) ujemnie  określona

 

0

)

1

(

1

1

2

22

21

1

12

11

ii

i

i

i

i

i

a

a

a

a

a

a

a

a

a

 dla 

n

i

,

2

,

1

   

czyli  wyznaczniki  stopni  parzystych są 

DODATNIE

, a stopni nieparzystch 

UJEMNE

background image

AM2 semII wykład 6 

 

 28.03.2012 

 

21 

W

ARUNEK  WYSTARCZAJĄCY  EKSTREMUM  FUNKCJI 

f

 W PUNKCIE 

0

 sformułujemy  przy założeniu, 

że funkcja f  jest klasy C

2

 w pewnym otoczeniu  U punktu 

0

 
M

ACIERZ 

drugich pochodnych cząstkowych 

 













)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

2

1

1

2

1

1

1

x

f

x

f

x

f

x

f

x

f

x

f

x

H

n

n

n

n

n

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

 

nazywamy macierzą Hessego. 
 

Jeżeli funkcja f  jest klasy C

2

 w pewnym zbiorze,  to macierz Hessego dla punktów z tego zbioru  jest 

macierzą symetryczną (z tw. Schwarza pochodne mieszane są wówczas równe). 

 



n

n

n

j

i

j

i

x

x

n

h

h

h

x

H

h

h

h

h

h

x

f

h

x

f

d

h

h

h

j

i

2

1

0

2

1

1

,

0

0

2

2

1

)

(

,

,

,

)

(

)

)(

(

)

,

,

,

(

 

Druga rózniczka 

)

)(

(

0

2

h

x

f

d

 jest formą kwadratową o macierzy 

)

(

0

x

H

. 

 
TW.
 W

ARUNEK  WYSTARCZAJĄCY  EKSTREMUM

  (dowód) 

 
Jeżeli funkcja f  jest klasy C

2

 w pewnym otoczeniu  punktu 

0

 oraz 

1) 

0

)

(

0

x

gradf

 

2a) druga różniczka 

)

(

0

2

x

f

d

jest określona dodatnio 

(macierz 

)

(

0

x

H

 jest dodatnio  określona) 

to funkcja f ma w punkcie 

0

 minimum właściwe 

 
Jeżeli funkcja f  jest klasy C

2

 w pewnym otoczeniu  punktu 

0

 oraz 

1) 

0

)

(

0

x

gradf

 

2b) druga różniczka 

)

(

0

2

x

f

d

jest określona ujemnie 

(macierz 

)

(

0

x

H

 jest ujemnie  określona),   

to  funkcja f ma w punkcie 

0

 maksimum właściwe 

 
 

background image

AM2 semII wykład 6 

 

 28.03.2012 

 

22 

Oznaczając 













)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

det

)

(

2

1

1

2

1

1

1

x

f

x

f

x

f

x

f

x

f

x

f

x

W

i

i

i

i

i

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

x

i

 

dla 

n

i

,

2

,

1

 

warunek 2a) jest równoważny 
2a) wyznaczniki 

0

)

(

0

x

W

i

dla każdego 

n

i

,

2

,

1

  

to funkcja f ma w punkcie 

0

 minimum właściwe 

zaś 
2b)  

0

)

(

)

1

(

0

x

W

i

i

 

 

n

i

,

2

,

1

 

wyznaczniki 

)

(

0

x

W

i

stopnia parzystego są dodatnie,  a stopnia nieparzystego ujemne,   

to funkcja f ma w punkcie 

0

 maksimum właściwe 

 
TW. W

ARUNEK  WYKLUCZAJĄCY  EKSTREMUM

 

Jeżeli funkcja f  jest klasy C

2

 w pewnym otoczeniu  punktu 

0

0

)

(

0

x

gradf

 i druga różniczka 

)

(

0

2

x

f

d

jest formą kwadratową nieokreśloną, to w punkcie 

0

 funkcja f nie ma ekstremum. 

 
Uwaga 

)

(

0

2

x

f

d

jest formą kwadratową nieokreśloną, gdy istnieje  liczba  parzysta k taka, że 

0

)

(

0

x

W

k

 lub 

istnieją  liczby  nieparzyste kl, takie, że 

0

)

(

)

(

0

0

x

W

x

W

l

k

 gdzie 

}

,

,

2

,

1

{

,

n

l

k

 
Przykład 
Wyznaczyć ekstrema funkcji 

 
a) 

)

(

)

,

(

2

y

x

e

y

x

f

x

 

b) 

y

xy

xz

z

y

x

z

y

x

f

2

2

)

,

,

(

2

2

3

 

c) 

)

2

(

)

,

(

2

2

4

x

y

x

x

y

x

f

 

odp. funkcja ma w punktach 

}

0

{

\

)

,

0

(

R

y

y

 minimum  niewłaściwe równe 0, 

w punkcie 

0

,

3

5

 minimum  właściwe równe 

6

5

3

5