Określenie ciągu punktów na płaszczyźnie
Ciąg punktów na płaszczyźnie jest to przyporządkowanie każdej liczbie naturalnej dokładnie jednego punktu
płaszczyzny Oxy.
Ciąg punktów jest więc funkcją, której dziedziną jest zbiór liczb naturalnych N, a wartościami są punkty
płaszczyzny Oxy.
Punkt przyporządkowany liczbie naturalnej n oznaczamy zazwyczaj
P
n
i nazywamy n-tym wyrazem ciągu,
natomiast ciąg oznaczamy
P
n
albo
P P P
1
2
3
,
,
,...
.
Otoczenie punktu na płaszczyźnie Oxy
Niech P będzie dowolnym punktem na płaszczyźnie Oxy, zaś
dowolną liczbą dodatnią.
Otoczeniem punktu P o promieniu
nazywamy zbiór punktów płaszczyzny Oxy, których odległość od
punktu P jest mniejsza niż
.
Otoczeniem punktu P o promieniu
jest więc wnętrze koła o środku P i promieniu
(rys. 5).
Granica ciągu punktów na płaszczyźnie Oxy
Granicą ciągu punktów
P
n
na płaszczyźnie Oxy jest punkt Q tej płaszczyzny, jeżeli ciąg odległości
d P Q
n
,
jest zbieżny do zera, tzn.
lim
,
n
n
d P Q
0
Uwaga 1
Ciąg
d P Q
n
,
jest ciągiem liczbowym.
Uwaga 2
Granicą ciągu punktów
P
n
jest punkt Q wtedy i tylko wtedy, gdy do każdego otoczenia punktu Q należą
prawie wszystkie wyrazy ciągu
P
n
.
Zdanie „ Granicą ciągu
P
n
jest punkt Q ” można zastąpić zdaniem „ Ciąg
P
n
ma granicę Q ”. Oba te
zdania zapisujemy symbolem
lim
n
n
P
Q
Ciągi zbieżne i ciągi rozbieżne
Ciąg punktów
P
n
nazywamy ciągiem zbieżnym, jeżeli ten ciąg ma granicę. Ciąg punktów
P
n
nazywamy
ciągiem rozbieżnym, jeżeli ten ciąg nie ma granicy.
Twierdzenie 1.
Ciąg punktów
P
n
na płaszczyźnie Oxy , gdzie
P
x
y
n
n
n
,
jest zbieżny wtedy i tylko wtedy, gdy oba
ciągi liczbowe
x
n
i
y
n
są zbieżne. Wówczas granicą ciągu
P
n
jest punkt
Q
x
y
0
0
,
, przy czym
x
x
y
y
n
n
0
0
lim
,
lim
Pojęcie funkcji dwóch zmiennych
Dany jest niepusty podzbiór D płaszczyzny Oxy.
Funkcję f, która każdemu punktowi
P
x y
( , )
należącemu do zbioru D przyporządkowuje dokładnie jedną
liczbę rzeczywistą z nazywamy funkcją dwóch zmiennych rzeczywistych x i y (albo krótko: funkcją dwóch
zmiennych).
Liczbę z nazywamy wartością funkcji f w punkcie
P
x y
( , )
i oznaczamy
f P
( )
albo
f x y
( , )
.
Przykład
a) Niech f x y
x
xy
y
( , )
2
3 . Dziedziną funkcji f jest cała płaszczyzna Oxy:
D
R
2
b) Niech f x y
x
y
( , )
1
. Dziedziną funkcji f jest płaszczyzna Oxy z usuniętą prostą
y
x
:
D
x y
R
x
y
,
:
2
.
c) Niech
f x y
x
y
( , )
1
2
2
. Dziedziną funkcji f jest płaszczyzna Oxy z usuniętym początkiem układu:
D
x y
R
x
y
R
,
:
,
2
2
0
0
0 0
.
d) Niech
f x y
xy
( , )
ln (
)
. Dziedziną funkcji f jest wnętrze pierwszej i trzeciej ćwiartki układu
współrzędnych:
D
x y
R
xy
,
:
2
0
.
Granica funkcji dwóch zmiennych
Będziemy zakładać, że istnieje co najmniej jeden ciąg
P
n
argumentów tej funkcji zbieżny do punktu
P
0
o wyrazach różnych od
P
0
.
Mówimy, że granica funkcji f dwóch zmiennych x i y w punkcie
P
x
y
0
0
0
(
,
)
jest równa g, jeżeli dla
każdego ciągu
P
n
argumentów tej funkcji zbieżnego do punktu
P
0
o wyrazach różnych od
P
0
, ciąg
f P
n
wartości funkcji jest zbieżny do g, tzn.
lim
n
n
f P
g
Jeżeli
P
x
y
n
n
n
(
,
)
, to powyższą równość można zapisać w postaci
lim
,
n
n
n
f x
y
g
Zdanie „ Granicą funkcji f w punkcie
P
0
jest g ” zapisujemy:
lim
( )
P
P
f P
g
0
albo
lim
( , )
( , )
(
,
)
x y
x y
f x y
g
0
0
albo lim
( , )
x
x
y
y
f x y
g
0
0
Przykład
Pokażemy, że granica funkcji f określonej wzorem
f x y
x y
x
y
( , )
4
2
2
2
w punkcie
P
0
0 0
( , )
jest równa 0.
Weźmy dowolny ciąg
P
n
, gdzie
P
x
y
n
n
n
(
,
)
, argumentów tej funkcji zbieżny do punktu
P
0
(ponieważ
punkt (0, 0) nie jest argumentem funkcji f, zatem ciąg ten ma wyrazy różne od
P
0
). Mamy:
lim
,
lim
n
n
n
n
x
y
0
0
.
Zauważmy, że
f x
y
x y
x
y
x y
x y
x
y
x y
x
y
x
y
x y
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
n
(
,
)
(
)
4
2
2
2
4
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Ponadto
f x
y
x y
x
y
n
n
n
n
n
n
(
,
)
4
2
2
2
0
.
Zatem: 0
2
2
f x
y
x y
n
n
n
n
(
,
)
Ponieważ
lim
lim
lim
n
n
n
n
n
n
n
x y
x
y
2
2
2
2
0 0
0
,
więc na mocy twierdzenia o trzech ciągach (część I, rozdz.1, tw.9) otrzymujemy:
lim
,
n
n
n
f x
y
0 .
Zatem: lim
x
y
x y
x
y
0
0
4
2
2
2
0 .
Przykład
Pokażemy, że granica funkcji f określonej wzorem
f x y
xy
x
y
( , )
2
2
w punkcie
P
0
0 0
( , )
nie istnieje.
Weźmy ciąg
P
n
, gdzie
P
n n
n
1 1
,
. Jest to ciąg argumentów tej funkcji zbieżny do punktu
P
0
0 0
( , )
o wyrazach różnych od tego punktu. Dla ciągu
P
n
mamy:
lim
lim
lim
n
n
n
n
f P
n n
n
n
n
n
1 1
1
1
1
2
1
2
2
2
2
2
Weźmy teraz ciąg
Q
n
gdzie
Q
n n
n
2 1
,
. Jest to również ciąg argumentów tej funkcji zbieżny do punktu
P
0
0 0
( , )
o wyrazach różnych od tego punktu. Dla ciągu
Q
n
mamy:
lim
lim
lim
n
n
n
n
f Q
n n
n
n
n
n
2 1
4
1
2
5
2
5
2
2
2
2
.
Gdyby granica danej funkcji w punkcie
P
0
0 0
( , )
istniała, to dla każdego ciągu argumentów tej funkcji
zbieżnego do punktu
P
0
o wyrazach różnych od punktu
P
0
powinniśmy otrzymać ten sam wynik. Zatem
rozpatrywana granica nie istnieje.
Granica niewłaściwa funkcji dwóch zmiennych
Mówimy, że granica niewłaściwa funkcji f dwóch zmiennych x i y w punkcie
P
x
y
0
0
0
(
,
)
jest równa
,
jeżeli dla każdego ciągu
P
n
argumentów tej funkcji zbieżnego do punktu
P
0
o wyrazach różnych od
P
0
,
ciąg
f P
n
wartości funkcji ma granicę niewłaściwą
, tzn.
lim
n
n
f P
Jeżeli
P
x
y
n
n
n
(
,
)
, to powyższą równość można zapisać w postaci
lim
,
n
n
n
f x
y
Zdanie „ Granicą niewłaściwą funkcji f w punkcie
P
0
jest
” zapisujemy:
lim
( )
P
P
f P
0
albo
lim
( , )
( , )
(
,
)
x y
x y
f x y
0
0
albo
lim
( , )
x
x
y
y
f x y
0
0
W analogiczny sposób określamy granicę niewłaściwą lim
( )
P
P
f P
0
.
Przykład
Pokażemy, że funkcja f określona wzorem
f x y
x
y
( , )
1
2
2
ma w
punkcie
P
0
0 0
( , )
granicę niewłaściwą
.
Weźmy dowolny ciąg
P
n
, gdzie
P
x
y
n
n
n
(
,
)
, argumentów tej funkcji zbieżny do punktu
P
0
(ponieważ
punkt (0, 0) nie jest argumentem funkcji f, zatem ciąg ten ma wyrazy różne od
P
0
). Mamy:
lim
,
lim
n
n
n
n
x
y
0
0
.
Zatem:
lim
,
lim
n
n
n
n
n
n
f x
y
x
y
1
1
0
2
2
więc lim
x
y
x
y
0
0
2
2
1
.
Ciągłość funkcji dwóch zmiennych
Dana jest funkcja dwóch zmiennych oraz punkt
P
x
y
0
0
0
(
,
)
należący do dziedziny tej funkcji.
Mówimy, że funkcja f jest ciągła w punkcie
P
0
gdy istnieje granica funkcji f w punkcie
P
0
i jest równa
wartości funkcji w tym punkcie, tzn.
lim
( , )
(
,
)
x
x
y
y
f x y
f x
y
0
0
0
0
Przykład
Rozważmy funkcję
f x y
xy
x
y
x y
x y
( , )
( , )
( , )
( , )
( , )
2
2
0 0
0
0 0
gdy
gdy
We wcześniejszym przykładzie stwierdziliśmy, że
lim
( , )
x
y
f x y
0
0
nie istnieje, zatem ta funkcja nie jest ciągła
w punkcie (0, 0).
Ustalmy teraz zmienną
y
0
. Zbadamy ciągłość otrzymanej funkcji
f
x
f x
x
x
x
x
x
x
1
2
2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
( )
( , )
gdy
gdy
gdy
gdy
czyli
f
x
x
R
1
0
( )
dla
.
Podobnie stwierdzamy, że funkcja
f
y
f
y
y
R
2
0
0
( )
( , )
dla
Funkcje
f
1
i
f
2
są funkcjami stałymi. Są to funkcje ciągłe w każdym punkcie.
Wniosek
Funkcja dwóch zmiennych może być funkcją ciągłą ze względu na każdą ze zmiennych, ale nie być funkcją
ciągłą.
Określenie pochodnych cząstkowych funkcji dwóch zmiennych
Pochodna cząstkowa funkcji f względem zmiennej x w punkcie (x, y) jest to granica ilorazu różnicowego
względem zmiennej x, gdy przyrost tej zmiennej dąży do zera (o ile ta granica istnieje).
Pochodną tę oznaczamy symbolem
f
x y
x
'
( , )
. Zatem:
f
x y
f x
x y
f x y
x
x
x
'
( , )
lim
(
, )
( , )
0
Stosujemy także oznaczenia:
f
x
x y
( , )
albo
f
x y
x
( , )
.
Analogicznie określamy pochodną cząstkową funkcji f względem zmiennej y (oznaczenie:
f
x y
y
'
( , )
albo
f
y
x y
( , )
albo
f
x y
y
( , )
):
f
x y
f x y
y
f x y
y
y
y
'
( , )
lim
( ,
)
( , )
0
Obliczanie pochodnych cząstkowych
Obliczanie pochodnych cząstkowych należy wykonywać według reguł znanych z funkcji jednej zmiennej,
z tym, że przy obliczaniu pochodnych cząstkowych względem x należy uważać y za stałą, a przy obliczaniu
pochodnych cząstkowych względem y należy uważać x za stałą.
Przykład
Niech f x y
x y
( , )
2 5
. Wówczas:
f
x y
x y
y
x
y
x
xy
x
x
x
'
'
'
( , )
2 5
5
2
5
5
2
2
f
x y
x y
x
y
x
y
x y
y
y
y
'
'
'
( , )
2 5
2
5
2
4
2
4
5
5
Przykład
Niech f x y
x
y
x
y
( , )
sin
5
2
3
2
. Wówczas:
f
x y
x
y
x
y
y
x
x
x
x
x
'
'
'
'
( , )
sin
(sin )
5
2
1 5 3
0
3
2
2
sin y
x
15
2
f
x y
x
y
x
y
x
y
y
y
y
y
y
'
'
'
'
( , )
sin
cos
5
2
0 2 2
3
2
x
y
y
cos
4
Przykład 21
Niech f x y
x
y
y
x
x
( , )
ln
e
4
. Wówczas:
f
x y
x
y
y
x
y
x
y
x
x
x
x
x
x
x
'
'
'
'
( , )
ln
ln
e
e
4
3
1
2
4
f
x y
x
y
y
x
x
y
x
y
y
y
y
x
y
y
x
x
'
'
'
'
( , )
ln
e
e
e
4
1
1 0
Przykład 23
Niech f x y
x y
x
y
( , )
2
2
. Wówczas:
f
x y
x y
x
y
x y
x
y
x y x
y
x
y
x
x
x
x
'
'
'
'
( , )
2
2
2
2
2
2
2
2
y
x x
y
x y
x
y
x y
xy
x y
x
y
x y
xy
x
y
2
1 0
2
2
2
2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
3
2
2
f
x y
x y
x
y
x y
x
y
x y x
y
x
y
y
y
y
y
'
'
'
'
( , )
2
2
2
2
2
2
2
2
x
x
y
x y
y
x
y
x
x y
x y
x
y
x
x y
x
y
2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
2
2
3
2
2
2
2
1
0 2
2
Pochodne cząstkowe drugiego rzędu
Pochodne cząstkowe funkcji dwóch zmiennych są także funkcjami dwóch zmiennych. Mogą więc istnieć ich
pochodne cząstkowe. Pochodne cząstkowe pochodnych cząstkowych nazywamy pochodnymi cząstkowymi
drugiego rzędu. Istnieją cztery pochodne cząstkowe drugiego rzędu, które oznaczamy:
f
f
f
f
xx
xy
yx
yy
''
''
''
''
,
,
,
symbole Newtona
lub
2
2
2
2
2
2
,
,
,
y
f
x
y
f
y
x
f
x
f
symbole Leibniza
lub
yy
yx
xy
xx
f
f
f
f
,
,
,
Pochodne te definiujemy następująco:
f
x y
f
x y
xx
x
x
''
'
'
( , )
( , )
f
x y
f
x y
xy
x
y
''
'
'
( , )
( , )
f
x y
f
x y
yx
y
x
''
'
'
( , )
( , )
f
x y
f
x y
yy
y
y
''
'
'
( , )
( , )
Stosując symbole Leibniza powyższe definicje można zapisać w postaci:
y
x
x
f
x
y
x
x
f
,
,
2
2
y
x
y
f
x
y
x
y
x
f
,
,
2
y
x
x
f
y
y
x
x
y
f
,
,
2
y
x
y
f
y
y
x
y
f
,
,
2
2
Pochodne f
xx
''
i
f
yy
''
nazywamy pochodnymi czystymi.
Pochodne
f
xy
''
i
f
yx
''
nazywamy pochodnymi mieszanymi.
Przykład 28
Obliczymy wszystkie pochodne cząstkowe drugiego rzędu funkcji f x y
x y
x
y
( , )
4
3
2
.
Najpierw obliczamy pochodne f
x
'
i
f
y
'
.
f
x y
y
x
x
x y
x
x
x
x
'
'
'
( , )
3
4
2
3 3
0
4
2
f
x y
x
y
y
x y
y
y
y
'
'
'
( , )
( )
4
3
4
2
0
3
1
Obliczając pochodne cząstkowe powyższych pochodnych cząstkowych otrzymujemy:
f
x y
x y
x
y
x
x
x y
xx
x
x
x
''
'
'
'
( , )
(
)
4
2
4
2
12
2
3 3
3
3
2
3
f
x y
x y
x
x
y
x y
xy
y
y
''
'
'
( , )
4
2
4
0
12
3 3
3
3
3 2
f
x y
x y
y
x
x y
yx
x
x
''
'
'
( , )
3
1
3
0
12
4
2
2
4
3 2
f
x y
x y
x
y
x y
yy
y
y
''
'
'
( , )
3
1
3
0
6
4
2
4
2
4
Zauważmy, że w powyższym przykładzie pochodne mieszane są równe
f
x y
f
x y
xy
yx
''
''
( , )
( , )
Nie jest to przypadkiem.
Twierdzenie (twierdzenie Schwarza o pochodnych mieszanych)
Jeżeli pochodne mieszane
f
xy
''
i
f
yx
''
funkcji f istnieją w obszarze D i są ciągłe w pewnym punkcie (x, y) tego
obszaru, to są one w tym punkcie równe
f
x y
f
x y
xy
yx
''
''
( , )
( , )
Różniczka funkcji dwóch zmiennych
Założenia:
f jest funkcją dwóch zmiennych x i y określoną w otoczeniu punktu
(x, y),
istnieją pochodne cząstkowe
f
x
'
i
f
y
'
w tym otoczeniu,
dx oznacza przyrost zmiennej x (poprzednio oznaczany
x
),
dy oznacza przyrost zmiennej y (poprzednio oznaczany
y
),
punkt
(
,
)
x
dx y
dy
należy do otoczenia, w którym jest określona funkcja f .
Różniczka df funkcji f dwóch zmiennych x i y jest to funkcja, której wartość w punkcie (x, y) wyraża się
wzorem:
df x y
f
x y dx
f
x y dy
x
y
( , )
( , )
( , )
'
'
Przykład 29
Dana jest funkcja
f x y
x
y
( , )
3
2
. Pochodne cząstkowe tej funkcji:
f
x y
x
f
x y
y
x
y
'
'
( , )
,
( , )
3
2
2
Różniczka funkcji f :
df x y
x dx
y dy
( , )
3
2
2
Przykładowo, jeżeli
x
y
2
3
,
, to
df
dx
dy
dx
dy
( , )
2 3
3 2
2 3
12
6
2
Jeżeli ponadto przyjmiemy, że
dx
dy
0 02
0 05
,
,
,
, to
df ( , )
,
,
,
,
,
2 3
12 0 02 6 0 05
0 24 0 3
0 54
Jest to wartość różniczki funkcji f w punkcie (2, 3) odpowiadającej przyrostowi zmiennej x o 0,02
i przyrostowi zmiennej y o 0,05.
Różniczkowalność funkcji dwóch zmiennych
Przyrost funkcji f odpowiadający argumentowi (x, y) oraz przyrostom zmiennych o dx i dy jest równy
f x
dx y
dy
f x y
(
,
)
( , )
. Oznaczmy ten przyrost symbolem
f x y
( , )
. Zatem:
f x y
f x
dx y
dy
f x y
( , )
(
,
)
( , )
Jeżeli
lim
( , )
( , )
(
)
(
)
dx
dy
f x y
df x y
dx
dy
0
0
2
2
0
to mówimy, że funkcja f jest różniczkowalna w punkcie (x, y).
Wniosek
Jeżeli funkcja f jest różniczkowalna w punkcie (x, y), a przyrosty dx i dy zmiennych x i y są niewielkie, to
f x y
df x y
( , )
( , )
Twierdzenie
Jeżeli pochodne cząstkowe
f
x
'
i
f
y
'
funkcji f istnieją w pewnym otoczeniu punktu (x, y) i są ciągłe w tym
punkcie, to funkcja f jest różniczkowalna w punkcie (x, y).
Wniosek
Jeżeli pochodne cząstkowe
f
x
'
i
f
y
'
funkcji f istnieją w pewnym otoczeniu punktu (x, y) i są ciągłe w tym
punkcie, a przyrosty dx i dy zmiennych x i y są niewielkie, to
f x y
df x y
( , )
( , )
Zatem:
f x
dx y
dy
f x y
f
x y dx
f
x y dy
x
y
(
,
)
( , )
( , )
( , )
'
'
(1)
f x
dx y
dy
f
x y dx
f
x y dy
f x y
x
y
(
,
)
( , )
( , )
( , )
'
'
(2)
Przykład 30
We wcześniejszym przykładzie obliczyliśmy wartość różniczki funkcji
f x y
x
y
( , )
3
2
w punkcie (2, 3)
odpowiadającej przyrostowi zmiennej x o 0,02 i przyrostowi zmiennej y o 0,05. Wynosiła ona 0,54.
Obliczymy teraz przyrost tej funkcji w punkcie (2, 3) odpowiadający przyrostom
dx
dy
0 02
0 05
,
,
,
zmiennych x i y.
f ( , )
2 3
2
3
8 9
17
3
2
2
3
)
05
,
3
(
)
02
,
2
(
)
05
,
3
,
02
,
2
(
)
3
,
2
(
f
dy
dx
f
8 242408 9 3025 17 544908
,
,
,
f
f
dx
dy
f
( , )
(
,
)
( , )
,
,
2 3
2
3
2 3
17 544908 17
0 544908
Przyrost funkcji i różniczka w tym punkcie są w przybliżeniu równe, co jest ilustracją wzoru (1)
Przykład
Obliczymy przybliżoną wartość funkcji
f x y
y
x
( , )
e
w punkcie
(0,05 , 0,98). W tym celu korzystamy ze wzoru (2) przyjmując:
x
dx
y
dy
0
0 05
1
0 02
,
,
,
,
,
. Otrzymujemy:
f
f
f
f
x
y
( ,
, ,
)
(
,
,
,
)
( , )
,
( , ) (
,
)
'
'
0 05 0 98
0 0 05 1 0 02
0 1 0 05
0 1
0 02
f ( , )
0 1
Obliczamy kolejno:
f
x y
y
x
x
'
( , )
e
f
x
'
( , )
0 1
1
1 1 1
0
e
f
x y
y
y
x
'
( , )
e
1
2
f
y
'
( , )
,
0 1
1
2 1
0 5
0
e
f x y
( , )
e
0
1
1 1 1
W rezultacie:
f ( ,
, ,
)
,
, (
,
)
,
0 05 0 98
1 0 05 0 5
0 02
1 1 04
Maksimum i minimum funkcji dwóch zmiennych
Dana jest funkcja dwóch zmiennych f o dziedzinie D i punkt
(
,
)
x
y
0
0
należący do dziedziny D.
Mówimy, że funkcja f ma w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
maksimum, jeżeli istnieje otoczenie U tego punktu, zawarte
w dziedzinie i takie, że
f x y
f x
y
( , )
(
,
)
0
0
dla
( , )
, ( , )
(
,
)
x y
U
x y
x
y
0
0
Oznacza to, że w otoczeniu U największą wartością funkcji f jest
f x
y
(
,
)
0
0
.
Mówimy, że funkcja f ma w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
minimum, jeżeli istnieje otoczenie U tego punktu, zawarte
w dziedzinie i takie, że
f x y
f x
y
( , )
(
,
)
0
0
dla
( , )
, ( , )
(
,
)
x y
U
x y
x
y
0
0
Oznacza to, że w otoczeniu U najmniejszą wartością funkcji f jest
f x
y
(
,
)
0
0
.
Mówimy, że funkcja f ma w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
ekstremum, jeżeli funkcja f ma w tym punkcie maksimum lub
minimum.
Uwaga
Podobnie jak w przypadku funkcji jednej zmiennej z faktu, że funkcja f ma w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
maksimum
nie wynika, że
f x
y
(
,
)
0
0
jest największą wartością funkcji f w całej dziedzinie. Identyczna uwaga dotyczy
minimum i wartości najmniejszej funkcji f.
Warunek konieczny ekstremum funkcji dwóch zmiennych
Twierdzenie 4
Jeżeli funkcja f ma w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
ekstremum i istnieją w tym punkcie pochodne cząstkowe
f
x
'
i
f
y
'
, to
są one w tym punkcie równe zeru
f
x
y
f
x
y
x
y
'
'
(
,
)
(
,
)
0
0
0
0
0
Uwaga 1
Twierdzenie odwrotne nie zachodzi. Funkcja f może nie mieć w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
ekstremum mimo, że obie
pochodne cząstkowe są w tym punkcie równe zeru.
Uwaga 2
Funkcja, która nie ma w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
jednej z pochodnych cząstkowych lub obu tych pochodnych, może
mieć w tym punkcie ekstremum.
Wniosek
Funkcja może mieć ekstremum tylko w takich punktach, w których obie pochodne cząstkowe są równe zeru
lub w których przynajmniej jedna z tych pochodnych nie istnieje.
Warunek wystarczający ekstremum funkcji dwóch zmiennych
Twierdzenie 5
Jeżeli
1
0
istnieją wszystkie pochodne cząstkowe rzędu pierwszego i drugiego funkcji f w pewnym otoczeniu
punktu
(
,
)
x
y
0
0
i są one w tym otoczeniu ciągłe,
2
0
obie pochodne cząstkowe rzędu pierwszego funkcji f są w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
równe zeru, czyli:
f
x
y
f
x
y
x
y
'
'
(
,
)
(
,
)
0
0
0
0
0
,
3
0
wyrażenie
0
0
, y
x
W
=
)
,
(
)
,
(
)
,
(
)
,
(
0
0
0
0
0
0
0
0
y
x
f
y
x
f
y
x
f
y
x
f
yy
yx
xy
xx
jest dodatnie,
to funkcja f ma w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
ekstremum.
Gdy
f
x
y
xx
''
(
,
)
0
0
0
jest to maksimum, zaś gdy
f
x
y
xx
''
(
,
)
0
0
0
jest to minimum.
Warunek wykluczający ekstremum funkcji dwóch zmiennych
Twierdzenie 6
Jeżeli spełnione są założenia 1
o
i 2
o
twierdzenia 5 i
W x
y
(
,
)
0
0
0
, to funkcja f nie ma w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
ekstremum.
Uwaga
Twierdzenia 5 i 6 nie rozstrzygają, czy funkcja f ma ekstremum w punkcie
(
,
)
x
y
0
0
w przypadku, gdy
W x
y
(
,
)
0
0
0
.
Przykład
Wyznaczymy ekstrema funkcji
f x y
x
y
x
xy
y
( , )
3
6
2
2
Dziedzina funkcji:
D
R
2
Pochodne cząstkowe funkcji:
f
x y
x
y
f
x y
x
y
x
y
'
'
( , )
( , )
3 2
6
2
Miejsca zerowania się pochodnych cząstkowych:
3 2
0
x
y
6
2
0
x
y
Z pierwszego równania wyznaczamy
y
x
3 2
i wstawiamy do drugiego równania. Otrzymujemy:
6
2 3 2
0
x
x
(
)
6
6 4
0
x
x
3
0
x
x
0
Zatem
y
1
3 2 0
3
Stwierdzamy, że obie pochodne cząstkowe są równe zeru w punkcie
P
( , )
0 3
Pochodne cząstkowe rzędu drugiego:
f
x y
f
x y
f
x y
f
x y
xx
xy
yx
yy
''
''
''
''
( , )
( , )
( , )
( , )
2
1
2
Wartość wyznacznika W w punkcie
P
( , )
0 3
W P
W
( )
( , )
0 3
2
1
1
2
4 1
3
0
Wniosek: W punkcie
P
( , )
0 3
funkcja f ma ekstremum. Jest to maksimum, gdyż
f
xx
''
( , )
0 3
2
0
.
Wartość funkcji f w tym punkcie:
f ( , )
0 3
3 0 6 3 0
0 3 3
9
2
2
Odpowiedź. Funkcja f ma w punkcie (0, 3) maksimum równe 9.
Przykład
Wyznaczymy ekstrema funkcji
f x y
x
y
xy
( , )
3
3
3
Dziedzina funkcji:
D
R
2
Pochodne cząstkowe funkcji:
f
x y
x
y
f
x y
y
x
x
y
'
'
( , )
( , )
3
3
3
3
2
2
Miejsca zerowania się pochodnych cząstkowych:
3
3
0
2
x
y
3
3
0
2
y
x
Z pierwszego równania wyznaczamy
y
x
2
i wstawiamy do drugiego równania. Otrzymujemy:
3
3
0
4
x
x
x
x
4
0
x x
(
)
3
1
0
x
x
1
2
0
1
,
Zatem
y
y
1
2
0
1
,
Stwierdzamy, że obie pochodne cząstkowe są równe zeru w punktach
P
P
1
2
0 0
1 1
( , ) ,
( , )
Pochodne cząstkowe rzędu drugiego:
f
x y
x
f
x y
f
x y
f
x y
y
xx
xy
yx
yy
''
''
''
''
( , )
( , )
( , )
( , )
6
3
6
Wartość wyznacznika W w punkcie
P
1
0 0
( , )
W P
W
(
)
( , )
1
0 0
6 0
3
3 6 0
0
3
3 0
9
0
Wniosek: W punkcie
P
1
0 0
( , )
funkcja f nie ma ekstremum.
Wartość wyznacznika W w punkcie
P
2
1 1
( , )
W P
W
(
)
( , )
2
1 1
6 1
3
3 6 1
6
3
3 6
36 9
27
0
Wniosek: W punkcie
P
2
1 1
( , )
funkcja f ma ekstremum. Jest to minimum, gdyż f
xx
''
( , )
1 1
6
0
. Wartość
funkcji f w tym punkcie:
f ( , )
1 1
1
1
3 1 1
1
3
3
Odpowiedź. Funkcja f ma w punkcie (1, 1) minimum równe
1
.
Określenie gradientu funkcji dwóch zmiennych
Dana jest funkcja dwóch zmiennych f o dziedzinie D oraz punkt
( , )
x y
należący do dziedziny D.
Zakładamy, że istnieją pochodne cząstkowe funkcji f w punkcie
( , )
x y
.
Gradientem funkcji f w punkcie
( , )
x y
nazywamy wektor, którego składowymi są pochodne cząstkowe
funkcji f w tym punkcie.
Gradient funkcji f w punkcie
( , )
x y
oznaczamy
grad f x y
( , )
. Zatem:
grad f x y
f
x y
f
x y
x
y
( , )
( , ) ,
( , )
'
'
Przykład 38
Obliczymy gradient funkcji f x y
x y
( , )
2
3
Pochodne cząstkowe:
f
x y
xy
f
x y
x y
x
y
'
'
( , )
( , )
2
3
3
2
2
Gradient:
grad f x y
xy
x y
( , )
,
2
3
3
2 2
Przykładowo, w punkcie (2, 1) jest to wektor
grad f ( , )
,
,
2 1
2 2 1
3 2
1
4 12
3
2
2
Interpretacja gradientu funkcji dwóch zmiennych
Gradient funkcji f w punkcie
( , )
x y
jest wektorem. Kierunek tego wektora jest kierunkiem najszybszych
zmian wartości tej funkcji. Zwrot tego wektora wyznacza najszybszy wzrost wartości tej funkcji.
Przykład
Wielkość produkcji zależy od zaangażowanego w produkcję kapitału x (w mln zł) oraz od pracy y
wydatkowanej w procesie produkcji (w liczbie etatów) i wyraża się wzorem:
z
f x y
x y
( , )
2
2
Dotychczas w produkcję zaangażowano kapitał x w wysokości 400 mln zł przy zatrudnieniu y 100 etatów.
Zamierzamy zwiększyć zatrudnienie o 10 etatów. Jaki dodatkowy kapitał zaangażować, aby wzrost produkcji
był największy?
Rozwiązanie.
Pochodne cząstkowe:
f
x y
xy
f
x y
x
x
y
'
'
( , )
( , )
4
2
2
Gradient:
grad f x y
xy
x
( , )
,
4
2
2
Gradient w punkcie (x, y)=(400, 100) jest to wektor
grad f (
,
)
,
,
400 100
4 400 100 2 400
160000 320000
2
Druga współrzędna gradientu jest dwa razy większa niż pierwsza, zatem wzrostowi zatrudnienia y o 10
etatów powinien towarzyszyć wzrost nakładów x o 5 mln zł.