background image

Funkcje dwóch zmiennych 

 

Pojęcie funkcji dwóch zmiennych 

Dany jest niepusty podzbiór D płaszczyzny Oxy

Funkcję  f, która każdemu punktowi 

)

,

(

y

x

P

 należącemu 

do zbioru D  przyporządkowuje dokładnie jedną liczbę 
rzeczywistą 

)

,

(

y

x

f

z

 nazywamy funkcją dwóch 

zmiennych rzeczywistych x  i  y

 

Przykład 1. Niech 

3

)

,

(

2

xy

x

y

x

f

. Dziedziną funkcji 

jest cała płaszczyzna Oxy

Wartość tej funkcji w punkcie 

)

3

,

2

(

P

 wynosi: 

13

3

3

2

2

)

3

,

2

(

2

f

 

 

Przykład 2. Niech 

x

y

y

x

f

1

)

,

(

. Dziedziną funkcji jest 

płaszczyzna Oxy  z usuniętą prostą 

x

y

Wartość tej funkcji w punkcie 

)

4

,

1

(

P

 wynosi: 

3

1

1

4

1

)

4

,

1

(

f

 

background image

Pochodne cząstkowe 

Pochodną cząstkową funkcji  f  względem zmiennej  
oznaczamy symbolem: 

'

x

f

  albo  

x

f

 

i określamy wzorem: 

h

y

x

f

y

h

x

f

y

x

f

h

x

)

,

(

)

,

(

lim

)

,

(

0

'

 

 

Pochodną cząstkową funkcji  f  względem zmiennej  
oznaczamy symbolem: 

'

y

f

  albo  

y

f

 

i określamy wzorem: 

h

y

x

f

h

y

x

f

y

x

f

h

y

)

,

(

)

,

(

lim

)

,

(

0

'

 

 

Obliczanie pochodnych cząstkowych   wykonujemy 
według tych samych reguł, co dla funkcji jednej zmiennej 
z tym, że: 

- obliczając  

'

x

f

  zmienną y  uważamy za stałą, 

background image

- obliczając  

'

y

f

  zmienną x  uważamy za stałą. 

 

Przykład 3.      

x

xy

y

x

y

x

f

2

3

2

3

5

)

,

(

1

3

10

1

1

3

2

5

)

,

(

2

3

2

3

'

y

xy

y

x

y

y

x

f

x

xy

y

x

y

x

y

x

y

x

f

y

6

15

0

2

3

3

5

)

,

(

2

2

2

2

'

 

 

Przykład 4.      

x

y

xe

y

x

f

y

ln

)

,

(

 

x

y

xe

x

y

e

x

y

e

y

x

f

y

y

y

x

1

1

)

,

(

'

 

x

e

x

y

x

f

y

y

ln

)

,

(

'

 

 

Pochodne cząstkowe drugiego rzędu 

Są to pochodne cząstkowe obliczone z pochodnych 
cząstkowych 

'

x

f

  i   

'

y

f

Oznaczamy je symbolami: 

   

''

''

''

''

,

,

,

yy

yx

xy

xx

f

f

f

f

 

albo:      

 

 

2

2

2

2

2

2

,

,

,

y

f

yx

f

xy

f

x

f

 

background image

Pochodne: 

''

''

,

yy

xx

f

f

 nazywamy czystymi

Pochodne: 

''

''

,

yx

xy

f

f

 nazywamy mieszanymi

 

Przykład 5. Obliczyć pochodne cząstkowe drugiego rzędu 

funkcji    

3

5

3

4

)

,

(

x

y

x

y

x

y

x

f

 

Rozwiązanie. Obliczmy pochodne rzędu pierwszego: 

2

4

3

3

2

4

3

3

'

3

5

4

3

5

4

)

,

(

x

y

x

y

x

x

x

y

x

y

y

x

f

x

 

5

2

4

5

2

4

'

3

0

1

3

)

,

(

x

y

x

x

y

x

y

x

f

y

 

Teraz obliczamy pochodne rzędu drugiego: 

x

y

x

y

x

x

x

y

x

y

y

x

f

xx

6

20

12

6

4

5

3

4

)

,

(

3

3

2

3

2

3

''

 

4

2

3

4

2

3

''

5

12

0

1

5

3

4

)

,

(

x

y

x

x

y

x

y

x

f

xy

4

2

3

4

3

2

''

5

12

5

4

3

)

,

(

x

y

x

x

x

y

y

x

f

yx

 

y

x

y

x

y

x

f

yy

4

4

''

6

0

2

3

)

,

(

 

 

Zauważmy, że w powyższym przykładzie jest: 

)

,

(

)

,

(

''

''

y

x

f

y

x

f

yx

xy

. Nie jest to przypadek. Pochodne 

mieszane – jeśli istnieją – są sobie równe (twierdzenie 
Schwarza). 

background image

 

Otoczenie punktu na płaszczyźnie Oxy Otoczeniem o 
promieniu 

 punktu 

)

,

(

0

0

y

x

 na płaszczyźnie Oxy 

nazywamy wnętrze koła o środku 

)

,

(

0

0

y

x

 i promieniu 

 

Założenie. W dalszym ciągu będziemy zakładać, że 
istnieją wszystkie pochodne cząstkowe rozważanej funkcji 
w pewnym otoczeniu punktu 

)

,

(

0

0

y

x

 

Ekstremum funkcji dwóch zmiennych 

Mówimy, że funkcja f  ma w punkcie 

)

,

(

0

0

y

x

 maksimum

gdy istnieje otoczenie U punktu 

)

,

(

0

0

y

x

 zawarte w 

dziedzinie funkcji f  i takie, że dla każdego 

U

y

x

)

,

(

 jest:    

)

,

(

)

,

(

0

0

y

x

f

y

x

f

 

Mówimy, że funkcja f  ma w punkcie 

)

,

(

0

0

y

x

 minimum

gdy istnieje otoczenie U punktu 

)

,

(

0

0

y

x

 zawarte w 

dziedzinie funkcji f  i takie, że dla każdego 

U

y

x

)

,

(

 jest:    

)

,

(

)

,

(

0

0

y

x

f

y

x

f

 

 

 

 

background image

Warunek konieczny ekstremum funkcji dwóch 
zmiennych 

Jeżeli funkcja f  ma w punkcie 

)

,

(

0

0

y

x

 ekstremum, to obie 

pochodne cząstkowe 

'

x

f

  i  

'

y

f

 są w tym punkcie równe 

zeru: 

 

0

)

,

(

)

,

(

0

0

'

0

0

'

y

x

f

y

x

f

y

x

 

 

Punkt stacjonarny  funkcji f  jest to punkt, w którym obie 
pochodne cząstkowe tej funkcji są równe zero. 

 

Warunek dostateczny (wystarczający) ekstremum funkcji 
dwóch zmiennych 

Jeżeli 

)

,

(

0

0

y

x

 jest punktem stacjonarnym funkcji   i 

wyrażenie 

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

0

0

''

0

0

''

0

0

''

0

0

''

0

0

y

x

f

y

x

f

y

x

f

y

x

f

y

x

W

yy

yx

xy

xx

 

jest dodatnie, to funkcja  f  ma w punkcie 

)

,

(

0

0

y

x

 

ekstremum. 

Gdy  

0

)

,

(

0

0

''

y

x

f

xx

  jest to maksimum, zaś gdy  

0

)

,

(

0

0

''

y

x

f

xx

 jest to minimum. 

 

background image

Warunek wykluczający ekstremum funkcji dwóch 
zmiennych 

Jeżeli 

)

,

(

0

0

y

x

 jest punktem stacjonarnym funkcji   i 

wyrażenie 

)

,

(

0

0

y

x

W

 jest ujemne, to funkcja  f  nie ma w 

punkcie 

)

,

(

0

0

y

x

 ekstremum. 

 

Przykład 6. Wyznaczyć ekstrema funkcji 

xy

y

x

y

x

f

3

)

,

(

3

3

 

Rozwiązanie. Dziedzina – cała płaszczyzna. 

Obliczamy pochodne cząstkowe: 

x

y

y

x

f

y

x

y

x

f

y

x

3

3

)

,

(

,

3

3

)

,

(

2

'

2

'

 

Punkty stacjonarne: 



0

3

3

0

3

3

2

2

x

y

y

x

,   stąd  



0

0

2

2

x

y

y

x

 

Z pierwszego równania wyznaczamy:  

2

x

y

 i wstawiamy 

do drugiego równania: 

0

4

x

x

 

Stąd:    

0

)

1

(

3

x

x

 

 

 

 

1

,

0

2

1

x

x

 

Zatem:     

1

1

,

0

0

2

2

2

1

y

y

background image

Są dwa punkty stacjonarne:   

)

1

,

1

(

,

)

0

,

0

(

2

1

P

P

 

Obliczamy pochodne cząstkowe rzędu drugiego: 

y

y

x

f

y

x

f

y

x

f

x

y

x

f

yy

yx

xy

xx

6

)

,

(

,

3

)

,

(

)

,

(

,

6

)

,

(

''

''

''

''

 

Wyznacznik   

9

36

6

3

3

6

)

,

(

xy

y

x

y

x

W

 

Badamy punkt 

)

0

,

0

(

1

P

:    

0

9

9

0

0

36

)

0

,

0

(

W

 

W punkcie 

)

0

,

0

(

1

P

 funkcja nie ma ekstremum.  

Badamy punkt 

)

1

,

1

(

2

P

:     

0

27

9

1

1

36

)

1

,

1

(

W

 

W punkcie 

)

1

,

1

(

2

P

 funkcja ma ekstremum. Ponieważ 

0

6

1

6

)

1

,

1

(

''

xx

f

   więc jest to minimum.