background image

 

195 

WYKŁAD Nr 15 
 

FUNKCJE  DWÓCH  ZMIENNYCH 

 
 
1. PODSTAWOWE POJĘCIA 
 
Def.1.1. (przestrzeń dwuwymiarowa i punkt tej przestrzeni) 

 

Zbiór  wszystkich  uporządkowanych  par 

(

)

y

x

,

  liczb  rzeczywistych  nazywamy  przestrzenią 

dwuwymiarową

 i oznaczamy 

2

R

 

Pary 

(

)

y

x

,

 nazywamy punktami przestrzeni 

2

R

, natomiast liczby x, y – współrzędnymi tych punktów

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

Rys. 1. Punkt w przestrzeni dwuwymiarowej 

 

Uwaga

R

R

R

×

=

2

, zatem w 

2

R

 każdy punkt ma dwie współrzędne.

 

 

 
Def.1.2. (odległość punktów w przestrzeni dwuwymiarowej) 

 

Niech 

)

,

(

),

,

(

2

2

2

1

1

1

y

x

P

y

x

P

 będą punktami przestrzeni 

2

R

Odległość punktów

 

2

1

P

P

 płaszczyzny oznaczamy symbolem 

2

1

P

P

 i określamy następująco: 

 

(

)

(

)

2

1

2

2

1

2

2

1

y

y

x

x

P

P

+

=

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.2. Odległość punktów na płaszczyźnie 

 

)

,

y

x

P

 

 

 

)

,

(

1

1

1

y

x

P

 

)

,

(

2

2

2

y

x

P

 

2

1

P

P

 

 x 

 y 

background image

 

196 

Def.1.3. (otoczenie punktu na płaszczyźnie) 

 

Niech 

)

,

(

0

0

0

y

x

P

 będzie punktem płaszczyzny, r – dowolną liczbą dodatnią (

0

>

r

). 

Otoczeniem punktu

 

0

P

 o promieniu r 

na płaszczyźnie nazywamy następujący zbiór punktów: 

 

(

)

{

}

r

P

P

P

r

P

U

<

=

0

0

:

,

 

 

 
Def.1.4. (sąsiedztwo punktu na płaszczyźnie) 

 

Niech 

)

,

(

0

0

0

y

x

P

 będzie punktem płaszczyzny, r – dowolną liczbą dodatnią (

0

>

r

). 

Sąsiedztwem punktu

 

0

P

 o promieniu r 

na płaszczyźnie nazywamy następujący zbiór: 

 

(

)

(

) { }

0

0

0

\

,

,

P

r

P

U

r

P

S

=

 

 
Uwaga

: Jeżeli w rozważaniach nie jest istotny promień otoczenia lub sąsiedztwa, wówczas oznaczamy: 

( )

0

P

U

 – otoczenie punktu 

0

P

( )

0

P

S

 – sąsiedztwo punktu 

0

P

 
Uwaga

:  Otoczeniem  punktu  na  płaszczyźnie  jest  koło  otwarte  o  środku  w  tym  punkcie,  natomiast  

               sąsiedztwem punktu – koło otwarte bez środka. 

 

 
Def.1.5. (funkcja dwóch zmiennych) 

 

Niech 

2

R

D

.  Jeżeli  każdemu  punktowi  przestrzeni 

2

R

  – 

(

)

D

y

x

P

,

  przyporządkujemy  dokładnie 

jedną liczbę 

R

z

, to mówimy, że w zbiorze D określona jest funkcja dwóch zmiennych 

(

)

y

x

f

z

,

=

 

Liczby xy są zmiennymi niezależnymi, z – zmienną zależną, f – symbol przyporządkowania 

R

D

f

:

 

 
Przykład funkcji dwóch zmiennych:

 

 

Funkcja 

0

,

0

  

gdzie

,

2

>

>

π

=

y

x

y

x

z

 wyraża objętość walca o promieniu x i wysokości y

 
Def.1.6. (dziedzina naturalna funkcji dwóch zmiennych) 

 

Zbiór  wszystkich  par 

(

)

D

y

x

,

,  dla  których  odpowiedni  wzór  postaci 

)

,

y

x

f

=

  ma  sens 

matematyczny nazywamy dziedziną naturalną funkcji
 
Przykład:

 

 

Niech 

(

)

2

2

1

ln

y

x

z

=

.

 

Wówczas 

(

)

{

}

(

)

{

}

1

:

,

0

1

:

,

2

2

2

2

2

2

<

+

=

>

=

y

x

y

x

y

x

y

x

D

R

R

Zatem  dziedziną  naturalną  tej  funkcji  jest  wnętrze  koła  o  środku  w  początku  układu  współrzędnych  
i promieniu 1. 

 

 
Def.1.7. (wykres funkcji dwóch zmiennych) 

 

Punkty przestrzeni o współrzędnych 

(

)

)

,

(

,

,

y

x

f

y

x

, gdzie 

(

)

D

y

x

,

 związane z równaniem 

)

,

y

x

f

=

 

tworzą pewną powierzchnię zwaną wykresem funkcji 

)

,

y

x

f

 

background image

 

197 

 

Rys.3. Wykres funkcji dwóch zmiennych niezależnych 

 
 
Przykład: Podać wykres funkcji dwóch zmiennych 

2

2

9

y

x

z

=

 

Rozwiązanie: 
Dziedzina  tej  funkcji: 

(

)

{

}

(

)

{

}

9

:

,

0

9

:

,

2

2

2

2

2

2

+

=

=

y

x

y

x

y

x

y

x

D

R

R

,  czyli  jest  to 

koło ośrodku w punkcie (0,0) i promieniu 3. 

 

Ponieważ 

2

2

9

y

x

z

=

, więc 

2

2

2

9

y

x

z

=

.  

 
Stąd 

9

2

2

2

=

+

+

z

y

x

;  jest  to  równanie  sfery  o  środku  w  punkcie  (0,0,0)  i  promieniu  3.  Ale  ponieważ 

0

z

, zatem jest to tylko górna jej połówka.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 2. Wykres funkcji 

2

2

9

y

x

z

=

 

 
 
2. GRANICA I CIĄGŁOŚĆ FUNKCJI DWÓCH ZMIENNYCH 
 
Definicja  granicy  funkcji  dwóch  zmiennych  nie  różni  się  w  sposób  istotny  od  definicji  granicy  funkcji 
jednej zmiennej. 
 

 y 

 z 

2

2

9

y

x

z

=

 

background image

 

198 

Def.2.1. (ciąg punktów na płaszczyźnie

Ciągiem  punktów  na  płaszczyźnie 

nazywamy  przyporządkowanie  każdej  liczbie  naturalnej  punktu  tej 

płaszczyzny.  Wartość  tego  przyporządkowania  dla  liczby 

N

n

  oznaczamy 

(

)

n

n

n

y

x

P

,

(

)

D

y

x

n

n

,

2

R

D

 i nazywamy n – tym wyrazem tego ciągu. Ciąg zaś oznaczamy następująco: 

( )

n

P

 lub 

(

)

(

)

n

n

y

x

,

 

Def.2.2. (granica ciągu

Mówimy, że ciąg 

( )

(

)

(

)

n

n

n

y

x

P

,

=

 jest zbieżny do punktu 

)

,

(

0

0

0

y

x

P

, co zapisujemy 

0

lim

P

P

n

n

=

   

lub 

 

(

) (

)

0

0

,

,

lim

y

x

y

x

n

n

n

=

 

wtedy i tylko wtedy, gdy 

0

lim

x

x

n

n

=

   

lub 

 

 

0

lim

y

y

n

n

=

 

 

Def.2.3. (granica właściwa funkcji w punkcie wg Heinego

Niech 

(

)

(

)

2

0

0

0

,

,

,

R

y

x

P

y

x

P

 oraz funkcja f będzie określona przynajmniej w 

( )

0

P

S

Liczbę g nazywamy granicą właściwą funkcji f w punkcie 

0

P

, co zapisujemy 

g

y

x

f

P

P

=

)

,

(

lim

0

 

wtedy i tylko wtedy, gdy 

(

)

(

)

(

)

0

0

,

,

y

x

S

y

x

n

n

 

(

) (

)

(

)





=

=

g

y

x

f

y

x

y

x

n

n

n

n

n

n

,

lim

,

,

lim

0

0

 

 

Def.2.4. (granica niewłaściwa funkcji w punkcie wg Heinego

Niech 

(

)

(

)

2

0

0

0

,

,

,

R

y

x

P

y

x

P

 oraz funkcja f będzie określona przynajmniej w 

( )

0

P

S

Funkcja f ma granicę niewłaściwą  ∞  w punkcie 

0

P

, co zapisujemy 

=

)

,

(

lim

0

y

x

f

P

P

 

wtedy i tylko wtedy, gdy 

(

)

(

)

(

)

0

0

,

,

y

x

S

y

x

n

n

 

(

) (

)

(

)





=

=

n

n

n

n

n

n

y

x

f

y

x

y

x

,

lim

,

,

lim

0

0

 

 

   

Rys.4. Ilustracja geometryczna granicy funkcji w punkcie 

a) właściwej, b) niewłaściwej 

background image

 

199 

Tw.2.1. (o działaniach arytmetycznych na granicach funkcji

Jeżeli funkcje f i g mają granice właściwe w punkcie 

0

P

 to 

1) 

(

)

)

,

(

lim

)

,

(

lim

)

,

(

)

,

(

lim

0

0

0

y

x

g

y

x

f

y

x

g

y

x

f

P

P

P

P

P

P

±

=

±

2) 

(

)

R

=

α

α

α

,

)

,

(

lim

)

,

(

lim

0

0

y

x

f

y

x

f

P

P

P

P

3) 

(

)

)

,

(

lim

)

,

(

lim

)

,

(

)

,

(

lim

0

0

0

y

x

g

y

x

f

y

x

g

y

x

f

P

P

P

P

P

P

=

4) 

0

)

,

(

lim

,

)

,

(

lim

)

,

(

lim

)

,

(

)

,

(

lim

0

0

0

0

=





y

x

g

y

x

g

y

x

f

y

x

g

y

x

f

P

P

P

P

P

P

P

P

 

Tw.2.2. (o granicy funkcji złożonej
Jeżeli funkcje fh i w spełniają następujące warunki: 
1) 

0

0

)

,

(

lim

,

)

,

(

lim

0

0

w

y

x

w

h

y

x

h

P

P

P

P

=

=

2) 

(

) (

)

0

0

0

,

)

,

(

),

,

(

)

(

)

,

(

w

h

y

x

w

y

x

h

P

S

y

x

P

3) 

(

)

g

w

h

f

w

h

w

h

=

)

,

(

lim

0

0

,

)

,

(

to 

 

(

)

g

y

x

w

y

x

h

f

y

x

P

y

x

P

=

))

,

(

),

,

(

(

lim

0

0

0

,

)

,

(

 

Def.2.5. (ciągłość funkcji w punkcie
Niech 

(

)

(

)

2

0

0

0

,

,

,

R

y

x

P

y

x

P

 oraz funkcja f będzie określona przynajmniej w 

( )

0

P

U

Funkcję f nazywamy ciąą w punkcie 

0

P

 wtedy i tylko wtedy, gdy 

(

)

0

0

,

)

,

(

lim

0

y

x

f

y

x

f

P

P

=

 

Tw.2.3. (o ciągłości sumy, różnicy, iloczynu i ilorazu funkcji ciągłych
Jeżeli  funkcje  f  i  g  są  ciągłe  w  punkcie 

0

P

,  to  w  tym  punkcie  ciągłe  są  również  funkcje: 

,

,

,

g

f

g

f

g

f

+

 

g

÷

 (o ile 

(

)

0

,

0

0

y

x

g

). 

 

Def.2.6. (ciągłość funkcji na zbiorze
Funkcja f jest ciągła na zbiorze otwartym, jeśli jest ciągła w każdym punkcie tego zbioru. 
 
3. POCHODNE FUNKCJI DWÓCH ZMIENNYCH 
 
Def.3.1. (pochodne cząstkowe rzędu pierwszego) 

Niech 

)

,

y

x

f

=

 określone w D, punkt 

(

)

D

y

x

P

0

0

0

,

. Symbolem  x

oznaczamy przyrost zmiennej x

a  symbolem 

y

  –  przyrost  zmiennej  y,  przy  czym 

0

,

0

y

x

  oraz 

(

)

,

,

0

0

D

y

x

x

P

+

(

)

D

y

y

x

P

+

0

0

,

.

 

 

Pochodną cząstkową rzędu pierwszego funkcji 

)

,

y

x

f

 względem zmiennej x

 w punkcie 

0

P

 nazywamy 

granicę właściwą 

 

x

y

x

f

y

x

x

f

x

+

)

,

(

)

,

(

lim

0

0

0

0

0

 

 

background image

 

200 

a oznaczamy 

0

P

x

z

 lub 

( )

0

'

P

f

x

 

Pochodną cząstkową rzędu pierwszego funkcji 

)

,

y

x

f

 względem zmiennej y

 w punkcie 

0

P

 nazywamy 

granicę właściwą 

 

y

y

x

f

y

y

x

f

y

+

)

,

(

)

,

(

lim

0

0

0

0

0

 

 

a oznaczamy 

0

P

y

z

 lub 

( )

0

'

P

f

y

Przykład: Korzystając z definicji obliczyć pochodne cząstkowe I – go rzędu funkcji 

y

x

z

2

=

 w punkcie 

(

)

0

0

0

y

x

P

 

Rozwiązanie: 

(

)

( )

(

)

( )

=

=

+

+

=

+

=

x

y

x

x

y

x

x

y

x

y

x

x

x

x

x

y

x

y

x

x

x

z

x

x

x

P

0

2

0

0

0

0

2

0

0

2

0

2

0

0

0

2

0

0

2

0

0

2

lim

2

lim

lim

0

 

(

)

(

)

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

2

2

lim

2

lim

y

x

xy

y

x

x

xy

y

x

x

x

x

=

=

=

 

 

(

)

2

0

2

0

0

2

0

0

0

2

0

0

2

0

0

lim

lim

lim

0

x

x

y

y

x

y

y

x

y

y

x

y

z

y

y

y

P

=

=

=

+

=

 

 

Uwaga

: W definicji pochodnych cząstkowych jedna ze zmiennych jest ustalona. Dlatego też w praktyce 

pochodną  cząstkową  względem  zmiennej  x  obliczamy  jak  pochodną  funkcji  jednej  zmiennej,  przy 
założeniu,  że  zmienna  y  ma  wartość  stałą.  Analogicznie  pochodną  cząstkową  względem  zmiennej  y 
obliczamy jak pochodną funkcji jednej zmiennej, przy założeniu, że zmienna x ma wartość stałą. 

 

Przykład: Obliczyć pochodne cząstkowe I – go rzędu funkcji: a) 

y

x

z

2

=

  

b) 

y

x

y

x

f

=

)

,

(

 

 

Rozwiązanie: 
a) 

y

x

z

2

=

 

 

R

R

y

x

,

 

 

( )

( )

,

2

2

'

2

'

2

xy

x

y

x

y

y

x

x

z

x

x

=

=

=

=

 

( )

( )

2

2

'

2

'

2

x

x

y

x

y

x

y

z

y

y

=

=

=

=

 

 

b) 

y

x

y

x

f

=

)

,

(

 

0

>

x

 

 

( )

1

'

=

=

y

x

y

x

y

x

x

f

 

 

 

 

( )

x

x

x

y

f

y

y

y

ln

'

=

=

 

 
Def.3.2. (pochodne cząstkowe rzędu drugiego) 

 

Pochodne  cząstkowe  rzędu  drugiego 

funkcji 

)

,

y

x

f

w  punkcie 

(

)

0

0

0

y

x

P

  definiujemy  jako  pochodne 

cząstkowe pierwszego rzędu z pochodnych cząstkowych pierwszego rzędu. 

 

x

y

x

f

y

x

x

f

x

f

x

x

x

P

+

=

)

,

(

)

,

(

lim

0

0

'

0

0

'

0

2

2

0

 

background image

 

201 

y

y

x

f

y

y

x

f

x

y

f

x

x

y

P

+

=

)

,

(

)

,

(

lim

0

0

'

0

0

'

0

2

0

 

 

y

y

x

f

y

y

x

f

y

f

y

y

y

P

+

=

)

,

(

)

,

(

lim

0

0

'

0

0

'

0

2

2

0

 

 

x

y

x

f

y

x

x

f

y

x

f

y

y

x

P

+

=

)

,

(

)

,

(

lim

0

0

'

0

0

'

0

2

0

 

 

Uwaga

:  Pochodne  cząstkowe  rzędu  drugiego 





=

x

f

x

x

f

2

2





=

y

f

y

y

f

2

2

  nazywamy 

pochodnymi czystymi, zaś 





=





=

x

f

y

x

y

f

y

f

x

y

x

f

2

2

,

 pochodnymi mieszanymi. 

 
Przykład: Obliczyć pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji 

(

)

2

2

cos

y

x

z

+

=

 

Rozwiązanie: 

 

Obliczamy pochodne cząstkowe rzędu I – go: 

 

(

)

[

]

(

) (

)

(

)

2

2

'

2

2

2

2

2

2

sin

2

sin

cos

y

x

x

y

x

y

x

y

x

x

z

x

x

+

=

+

+

=

+

=

 

 

(

)

[

]

(

) (

)

(

)

2

2

'

2

2

2

2

2

2

sin

2

sin

cos

y

x

y

y

x

y

x

y

x

y

z

y

y

+

=

+

+

=

+

=

 

 

Obliczamy pochodne cząstkowe rzędu II – go:  

 

(

)

[

]

(

)

(

)

(

)

(

)

[

]

=

+

+

+

=

+

=





=

x

x

x

y

x

x

y

x

x

y

x

x

x

z

x

x

z

2

2

2

2

'

2

2

2

2

sin

2

sin

2

sin

2

 

(

)

(

)

(

)

(

)

[

]

2

2

2

2

2

2

2

2

2

cos

2

sin

2

2

cos

2

sin

2

y

x

x

y

x

x

y

x

x

y

x

+

+

+

=

+

+

=

 

 

(

)

[

]

(

)

(

)

[

]

(

)

=

+

=

+

=

+

=





=

y

y

x

x

y

x

x

y

x

x

x

z

y

x

y

z

y

y

2

cos

2

sin

2

sin

2

2

2

2

2

2

2

2

(

)

2

2

cos

4

y

x

xy

+

=

 

 

(

)

[

]

(

)

(

)

[

]

(

)

=

+

=

+

=

+

=





=

x

y

x

y

y

x

y

y

x

y

y

z

x

y

x

z

x

x

2

cos

2

sin

2

sin

2

2

2

2

2

2

2

2

(

)

2

2

cos

4

y

x

xy

+

=

 

 

(

)

[

]

(

)

(

)

(

)

(

)

[

]

=

+

+

+

=

+

=





=

y

y

y

y

x

y

y

x

y

y

x

y

y

z

y

y

z

2

2

2

2

'

2

2

2

2

sin

2

sin

2

sin

2

(

)

(

)

(

)

(

)

[

]

2

2

2

2

2

2

2

2

2

cos

2

sin

2

2

cos

2

sin

2

y

x

y

y

x

y

y

x

y

y

x

+

+

+

=

+

+

=

 

 

 
 

background image

 

202 

Tw.3.1. (twierdzenie Schwarza

 

Jeżeli  funkcja 

)

,

y

x

f

  ma  w  pewnym  obszarze  Ω   ciągłe  pochodne  cząstkowe  mieszane 

x

y

f

y

x

f

2

2

,

 to, w każdym punkcie tego obszaru są one równe. 

 
Def.3.3. (pochodne cząstkowe rzędu n

 

Jakąkolwiek  pochodną  rzędu  pierwszego  jakiejkolwiek  pochodnej  cząstkowej  rzędu  n-1  nazywamy 
pochodną cząstkową rzędu n 

ze względu na odpowiednią zmienną.

 

 
Przykłady:  

a) 



=

2

2

2

3

x

f

y

x

y

f

   

pochodna cząstkowa rzędu trzeciego; 

 

b) 



=

3

3

4

4

x

f

x

x

f

 

 

pochodna cząstkowa rzędu czwartego. 

 

 
4. RÓŻNICZKA FUNKCJI 
 
Def.4.1. (żniczka funkcji

Niech funkcja 

)

,

y

x

f

 posiada pochodne cząstkowe I – go rzędu w punkcie 

(

)

0

0

0

y

x

P

żniczką  funkcji  f  w  punkcie 

0

P

  nazywamy  funkcję 

( )(

)

y

x

P

df

,

0

  zmiennych 

y

,

  określoną 

wzorem: 

( )(

)

( )

( )

y

P

y

f

x

P

x

f

y

x

P

df

+

=

0

0

0

,

 

lub w innym zapisie: 

(

)(

)

(

)

(

)

y

y

x

y

f

x

y

x

x

f

y

x

y

x

df

+

=

0

0

0

0

0

0

,

,

,

,

 

 
 
ZASTOSOWANIE RÓŻNICZKI FUNKCJI DO OBLICZEŃ PRZYBLIŻONYCH. 
 

Jeżeli funkcja f ma ciągłe pochodne cząstkowe I – go rzędu w punkcie 

(

)

0

0

0

y

x

P

, to  

(

)

(

)

(

)(

)

y

x

y

x

df

y

x

f

y

y

x

x

f

+

+

+

,

,

,

,

0

0

0

0

0

0

Przy czym  

(

)

(

)

(

)

0

,

lim

2

2

)

0

,

0

(

)

,

(

=

+

y

x

y

x

y

x

δ

 

Co oznacza, że błąd 

(

)

y

,

δ

 tego przybliżenia dąży szybciej do 0 niż wyrażenie 

(

)

(

)

2

2

y

x

+

 

background image

 

203 

5. EKSTREMA LOKALNE FUNKCJI DWÓCH ZMIENNYCH 

 

 
Def.5.1. (ekstrema lokalne) 

 

Niech funkcja 

)

,

y

x

f

=

będzie określona w pewnym otoczeniu punktu 

(

)

0

0

0

y

x

P

Mówimy, że funkcja ta ma w punkcie 

0

P

 maksimum (minimum) lokalne, jeśli istnieje takie sąsiedztwo 

( )

0

P

S

, że dla każdego punktu 

( )

0

)

,

(

P

S

y

x

P

 spełniona jest nierówność:  

 

( )

( )

0

P

f

P

f

( )

( )

[

]

0

P

f

P

f

 

 
Uwaga

: W przypadku, gdy znaki nierówności słabych 

(

)

,

 zastąpimy nierównościami ostrymi (< , > ) 

mówimy o ekstremach lokalnych właściwych.

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.3. Maksimum lokalne funkcji dwóch zmiennych 

 
 
Tw.5.1. (warunek konieczny istnienia ekstremum lokalnego

 

Jeżeli funkcja 

)

,

y

x

f

 ma pochodne cząstkowe pierwszego rzędu w punkcie 

(

)

0

0

0

y

x

P

 oraz ma w tym 

punkcie ekstremum lokalne to 

 

( )

0

0

=

P

x

f

   

 

( )

0

0

=

P

y

f

 

 

 
Uwaga

: Jest to warunek konieczny, ale nie wystarczający, (co ilustruje poniższy przykład). 

 

 

 max  

)

,

(

0

0

0

y

x

P

 

 x 

 y 

 z 

)

(

0

P

f

 

)

,

y

x

P

 

)

(P

f

 

background image

 

204 

Przykład: Sprawdzić, czy funkcja 

xy

=

 posiada ekstrema lokalne?  

 

Rozwiązanie: 

Pochodne cząstkowe I – go rzędu wynoszą: 

y

x

f

=

x

y

f

=

.  

Z układu równań 

=

=

0

0

x

y

 wynika, że istnieje jeden punkt „podejrzany” o ekstremum, a mianowicie 

)

0

,

0

(

Funkcja  nie  ma  jednak  w  nim  ekstremum,  ponieważ 

0

)

0

,

0

(

=

f

  oraz 

0

>

z

  dla  punktów  płaszczyzny 

)

,

y

x

  należących  do  I  –  szej  i  III  –  ciej  ćwiartki  płaszczyzny  XOY,  natomiast 

0

<

z

  dla  punktów 

płaszczyzny 

)

,

y

x

  należących  do  II  –  giej  i  IV  –  tej  ćwiartki.  Zatem  ta  funkcja  przyjmuje  zarówno 

wartości dodatnie, jak i ujemne dla pewnych punktów 

)

,

y

x

 dowolnie bliskich punktowi 

)

0

,

0

(

 
Tw.5.2. (warunek dostateczny istnienia ekstremum lokalnego

 

Jeżeli  funkcja 

)

,

y

x

f

  jest  klasy 

2

C

  (tj.  ma  ciągłe  pochodne  cząstkowe  do  rzędu  drugiego  włącznie)  

w  pewnym  otoczeniu  punktu 

(

)

0

0

0

y

x

P

,  a  ponadto 

0

=

x

f

  i 

0

=

y

f

  oraz 

( )

0

0

>

P

W

,  gdzie 

 

( )

( )

( )

( )

( )

0

2

2

0

2

0

2

0

2

2

0

P

y

f

P

y

x

f

P

x

y

f

P

x

f

P

W

=

 

 

to funkcja posiada ekstremum lokalne w 

0

P

.  

 

W przypadku gdy: 

 

( )

0

0

2

2

>

P

x

f

 

to funkcja posiada minimum lokalne w 

0

P

 

( )

0

0

2

2

<

P

x

f

  

to funkcja posiada maksimum lokalne w 

0

P

 
Uwaga

: Gdy 

( )

0

0

<

P

W

 to funkcja nie ma ekstremum lokalnego w 

0

P

, natomiast gdy 

( )

0

0

=

P

W

 mamy 

przypadek wątpliwy, który wymaga dodatkowych badań wykorzystujących definicję ekstremum. 
 
Przykład: Wyznaczyć ekstrema lokalne funkcji 

(

)

2

2

2

)

,

(

y

x

e

y

x

f

y

x

=

+

 

 
Rozwiązanie: 

 

1° Wyznaczamy dziedzinę funkcji:   

(

)

{

}

R

R

=

y

x

y

x

D

:

,

 

 
2° Obliczamy pochodne cząstkowe I – go rzędu:

 

 

(

)

(

)

x

y

x

e

x

e

y

x

e

x

f

y

x

y

x

y

x

2

2

2

2

2

2

2

2

2

+

=

+

=

+

+

+

 

(

)

(

)

(

)

y

y

x

e

y

e

y

x

e

y

f

y

x

y

x

y

x

=

+

=

+

+

+

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

 

background image

 

205 

3° Tworzymy układ równań   

 



=

=

0

0

y

f

x

f

 

 

czyli mamy   

 

 

 

(

)

(

)



=

=

+

+

+

0

2

0

2

2

2

2

2

2

2

y

y

x

e

x

y

x

e

y

x

y

x

 

 

Ponieważ 

(

)

0

,

2

2

>

+

y

x

e

y

x

R

  

stąd mamy 

 



=

=

+

0

0

2

2

2

2

2

y

y

x

x

y

x

 

Odejmując stronami otrzymujemy 

0

2 =

x

y

, wstawiając do pierwszego równania otrzymujemy:  

 

=

+

=

0

2

4

2

2

2

x

x

x

x

y

 

 

          

=

+

=

0

2

3

2

2

x

x

x

y

 

 

(

)

=

+

=

0

2

3

2

x

x

x

y

 

 

czyli   



=

=

=

3

2

0

2

x

x

x

y

 

 

Otrzymujemy zatem dwa układy: 

 

=

=

0

2

x

x

y

 

lub 



=

=

3

2

2

x

x

y

 

Stąd   

=

=

0

0

x

y

 

lub 




=

=

3

2

3

4

x

y

 

 

Zatem istnieją dwa punkty stacjonarne („podejrzane” o ekstremum): 

3

4

,

3

2

),

0

,

0

(

2

1

P

P

 
4° Obliczamy pochodne cząstkowe rzędu II – go:

 

 

(

)

[

]

(

)

(

)

(

)

2

4

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

+

+

=

+

+

+

=

+

=

+

+

+

+

x

y

x

e

x

e

x

y

x

e

x

y

x

e

x

f

y

x

y

x

y

x

x

y

x

(

)

[

]

(

)

(

)

(

)

y

x

y

x

e

y

e

x

y

x

e

x

y

x

e

x

y

f

y

x

y

x

y

x

y

y

x

+

=

+

+

=

+

=

+

+

+

+

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

(

)

[

]

(

)

(

)

(

)

1

4

2

2

2

1

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

=

+

=

=

+

+

+

+

y

y

x

e

y

e

y

y

x

e

y

y

x

e

y

f

y

x

y

x

y

x

y

y

x

 

 

background image

 

206 

5° Tworzymy wyznacznik: 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

1

4

2

2

2

2

2

2

2

2

4

)

,

(

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

+

+

+

+

=

+

+

+

+

y

y

x

e

y

x

y

x

e

y

x

y

x

e

x

y

x

e

y

x

W

y

x

y

x

y

x

y

x

 

 
6° Obliczamy wartości wyznacznika w punktach stacjonarnych, wyznaczamy ewentualne ekstrema: 

 

( )

4

2

0

0

2

)

0

,

0

(

1

=

=

W

P

W

.  

 

Ponieważ 

( )

0

1

<

P

W

, więc brak ekstremum w punkcie 

1

P

 

( )

=

=

+

+

+

+

+

+

+

=

=

2

2

2

2

2

2

2

2

2

9

30

9

24

9

24

9

30

1

3

16

9

32

9

8

2

3

4

3

4

9

16

9

4

2

3

4

3

4

9

16

9

4

2

2

3

8

9

16

9

4

3

4

,

3

2

e

e

e

e

e

e

e

e

W

P

W

 

 

(

)

4

4

2

2

2

2

81

324

576

900

81

1

9

24

9

24

9

30

9

30

=

=

=

e

e

e

e

e

e

 

 
Wyznacznik 

( )

0

2

>

P

W

, więc funkcja posiada ekstremum lokalne w punkcie 

2

P

.  

 

Ponieważ 

( )

0

9

30

2

2

2

2

>

=

e

P

x

f

, zatem w tym punkcie mamy minimum lokalne. 

 

Wartość funkcji w punkcie ekstremalnym wynosi 

2

2

3

4

9

16

9

4

3

4

,

3

2

=

=

e

e

f