Taylor e extremos em várias variáveis
Taylor, resto, hessiana, extremos absolutos e multiplicadores de Lagrange em duas e três variáveis.
Para , o plano tangente em prevê , com e . A expansão exata é
O polinómio de Taylor de segunda ordem conserva também . Estes termos descrevem a variação da inclinação e ajudam a distinguir mínimos, máximos e selas. A fórmula aplica-se a funções de classe , cujas derivadas parciais até ordem 2 existem e são contínuas.
Polinómio de Taylor de segunda ordem
Para de classe perto de , escreve e :
Todas as derivadas são calculadas no centro. Para perto de , temos , , , , e . Portanto,
A expansão exata acrescenta só , de grau 3. Em , e : , o valor exato é e o erro . O termo misto aparece com coeficiente porque o fator 2 cancela o .
Em variáveis, a escrita compacta é , onde é a hessiana.
Resto e ordem da aproximação
Para , o erro é quando . Se as derivadas de ordem 3 são contínuas, aplica Taylor à função de uma variável . Para algum ,
O termo inclui os fatores das componentes de . Se no segmento, o erro não excede . Um polinómio de Taylor é uma aproximação local, não uma igualdade global. Para ordem , usa , com .
Extremos livres e a hessiana
Num ponto interior diferenciável de extremo local, . A condição é necessária, não suficiente. Procura também pontos onde a função não é diferenciável.
Em duas variáveis e num ponto estacionário de uma função , calcula :
| Condição | Conclusão |
|---|---|
| e | Mínimo local estrito |
| e | Máximo local estrito |
| Ponto de sela | |
| O teste não decide |
Para , as equações e dão . A hessiana tem , logo há mínimo local de valor .
Aqui é também mínimo absoluto: com e , . Esta identidade prova a afirmação global, que o teste local sozinho não prova.
Num ponto estacionário de uma função , também em três ou mais variáveis, uma hessiana positiva definida dá mínimo local estrito, negativa definida dá máximo local estrito e indefinida dá sela. Positiva definida significa para todo ; negativa definida troca o sinal; indefinida admite ambos os sinais. Os valores próprios de uma hessiana simétrica permitem verificar isso: todos positivos, todos negativos ou sinais opostos, respetivamente.
Quando , o teste não decide e é preciso voltar à função. Em , fora da origem, que é mínimo absoluto estrito. Em , e fora da origem, por isso há valores dos dois lados: é sela.
O mesmo padrão repete-se em , e : a hessiana na origem é nula nos três casos, mas os comportamentos são mínimo, máximo e sela. A prática desenvolve os dois primeiros casos passo a passo.
Extremos absolutos e fronteira
Uma função contínua num compacto atinge máximo e mínimo. Para os encontrar, reúne candidatos interiores, candidatos na fronteira e pontos singulares, depois compara valores.
No disco , para , o ponto interior dá mínimo 0. Na fronteira, , logo . Os extremos da fronteira são 1 em e 2 em . O máximo no disco é 2, por isso ignorar a fronteira perderia esse máximo.
Num domínio aberto ou ilimitado, pergunta primeiro se os valores extremos existem. Um ínfimo não tem de ser atingido: em não tem mínimo.
Extremos condicionados e Lagrange
Com de classe perto do ponto, sobre e com , num extremo regular temos
O gradiente de tem de ser normal à restrição porque não há variação de primeira ordem nas direções tangentes. Os pontos onde precisam de análise separada.
Para na circunferência , temos , e . Daí . Comparar valores dá máximo e mínimo ; a existência é garantida pela continuidade na circunferência compacta.
Em três variáveis, para maximizar na esfera unitária, . Os candidatos são , com valores .
Com duas restrições regulares e , usa , exigindo independência dos dois gradientes. Por exemplo, para na esfera unitária com , temos
A última componente dá ; as duas primeiras dão . A restrição dá , com valores . Em toda a circunferência, o gradiente da esfera tem componente horizontal não nula, pelo que é independente de .
Não perdemos candidatos por falha da regularidade. Não dividas uma equação por uma variável sem tratar a possibilidade de ser zero. Lagrange encontra candidatos, não classifica automaticamente nem dispensa a comparação final.
Candidatos com coordenadas nulas
Para sobre e , a restrição reduz-se a . Substituir dá uma conferência independente:
Portanto, o máximo é 4 em e o mínimo é 2 em e . Aqui os extremos têm precisamente uma coordenada nula.
Com Lagrange e restrições e , o sistema dá
A terceira equação é . Somando as primeiras e usando , fica
Se , a esfera dá , por isso . Se , temos e a segunda relação obriga ; a esfera dá . Dividir logo por ou por eliminaria uma destas famílias. Os gradientes das restrições são independentes em toda a circunferência, e a compacidade garante que a comparação encontra os extremos absolutos.
Restrições num conjunto ilimitado
Com e , o conjunto admissível é a reta , não um compacto. Para , a função sobre a reta é
Há máximo absoluto em . Não há mínimo, porque o valor tende a quando . Os multiplicadores podem encontrar o candidato, mas não garantem um mínimo que o conjunto e a função não permitem.
Exercícios
Não perder o termo misto
Constrói de na origem e usa-o para estimar .
Pista
Mais uma pista
Solução
. No ponto pedido, , pelo que . O valor exato é , superior à estimativa por cerca de .
Confere a tua resposta:
- Avaliei as derivadas na origem.
- Conservei o termo misto.
- Usei os deslocamentos para estimar o valor.
Erros frequentes
Um máximo na fronteira
Qual é o máximo absoluto de no disco unitário fechado?
Pista
Mais uma pista
Solução
A expressão torna-se . Atinge 2 em e . A função contínua no disco compacto atinge o máximo.
Erros frequentes
Se resolveres apenas gradiente igual a zero, obténs o mínimo 0 e perdes a fronteira.
Restrição em três variáveis
Encontra os extremos de na esfera unitária.
Pista
Mais uma pista
Solução
O sistema é com . Como o vetor da esquerda é não nulo, . A norma dá , por isso e os candidatos são , com valores . A esfera é compacta e a função contínua, por isso são máximo e mínimo absolutos.
Confere a tua resposta:
- Escrevi a restrição no sistema.
- Encontrei ambos os candidatos.
- Comparei valores e garanti existência.
Erros frequentes
Lagrange não pede gradiente nulo. Se escolheres só o sinal positivo, perdes o mínimo.
A hessiana não decide
Classifica a origem para e . O que conclui o teste da hessiana em cada caso?
Pista
Mais uma pista
Solução
Ambas têm gradiente zero e , pelo que o teste é inconclusivo. Para f, em qualquer ponto diferente da origem, que é mínimo absoluto estrito. Para g, e fora da origem. Há valores maiores e menores arbitrariamente próximos: é uma sela.
Confere a tua resposta:
- Calculei a mesma hessiana para as duas funções.
- Reconheci que o teste é inconclusivo.
- Classifiquei pelos sinais dos valores próximos.
Erros frequentes
Interseção de duas restrições
Encontra os extremos absolutos de sobre e .
Pista
Usa .
Mais uma pista
A terceira componente dá . As primeiras dão .
Solução
Os gradientes das restrições são independentes porque, com e , o primeiro é horizontal não nulo e o segundo vertical. O sistema dá , e . Assim, os candidatos são , com valores . A interseção é compacta e f contínua, logo são máximo e mínimo absolutos.
Confere a tua resposta:
- Usei dois multiplicadores e as duas restrições.
- Verifiquei a independência dos gradientes.
- Encontrei todos os candidatos e comparei os valores.
Erros frequentes
A equação da esfera sozinha admitiria pontos com z diferente de zero. Inclui todas as restrições antes de resolver.
Não dividir pelos candidatos
Encontra e classifica os extremos absolutos de sobre e . Usa Lagrange e confirma por substituição. Que extremos perderias se dividisses a equação da terceira componente por ?
Pista
Na terceira componente aparece . Há dois casos possíveis.
Solução
Escolhe e . Os gradientes e são independentes no conjunto admissível: com , só poderiam ser paralelos se , que não pertence à esfera. Lagrange dá
A terceira componente dá . Somando as primeiras e usando , obtemos .
Se , então e ; como , . O valor é 4. Se , , pelo que . A restrição dá e o valor é 2.
A circunferência é compacta e a função contínua, logo o máximo absoluto é 4 em e o mínimo absoluto é 2 em e . Por substituição, e
confirmam os resultados. Dividir por imporia e perderia os dois mínimos, nos quais .
Confere a tua resposta:
- Verifiquei a independência dos gradientes das duas restrições.
- Separei os casos de coordenadas nulas no sistema de Lagrange.
- Classifiquei todos os extremos por comparação.
- Conferi o resultado eliminando uma variável.
Um máximo sem mínimo
Estuda os extremos absolutos de sujeito a e . A existência de um candidato garante que há máximo e mínimo?
Pista
Solução
As restrições dão , com . A função fica
Como , o único candidato é . Completar o quadrado dá
Há máximo absoluto em . Quando , , pelo que não há mínimo. O conjunto admissível não é compacto; encontrar um candidato não garante ambos os extremos. A hessiana da função no espaço inteiro não classifica diretamente o comportamento sobre a reta restrita.
Confere a tua resposta:
- Parametrizei todo o conjunto admissível.
- Encontrei e classifiquei o candidato na reta.
- Justifiquei a ausência de mínimo pelo comportamento no infinito.