Capitolul 4
FORMULA LUI TAYLOR. EXTREME
Exemplul 1. Sã se dezvolte polinomul f(x,y,z) = x3+y3+xyzz2+xy+xz+1
dupã puterile lui x1, y+1 ºi z1.
Rezolvare. Vom folosi dezvoltarea Taylor a funcþiei f în jurul punctului a=(1, 1,1) IR3. Cum f este un polinom de gradul al treilea d4f=0, deci R3(x,y,z)=0 ºi formula lui Taylor este:
)
Exemplul 2. Folosind formula lui Taylor de ordinul al treilea sã se calculeze
valoarea aproximativã a numãrului (0,9)2,1.
Rezolvare. Ne intereseazã valoarea funcþiei f(x,y)=xy în punctul (x,y)=(0,9;
2,1); vom alege drept punct (a,b) în jurul cãruia vom dezvolta funcþia f unul în care
putem calcula exact funcþia f ºi derivatele sale parþiale ºi, totodatã, cât mai apropiat
de (x,y). Fie deci (a,b)=(1,2). Atunci:
Sã remarcãm cã aproximarea de ordinul 0 este (0,9)2,1T0(x,y)=1, iar cea de
ordinul al doilea este (0,9)2,1T1(x,y)=0,8. În nici unul din aceste cazuri nu avem o estimare a erorii comise. Dacã dorim sã calculãm o expresie cu o precizie prestabilitã
trebuie sã gãsim un nIN astfel ca
aproximarea de ordinul întâi:
Exemplul 4. Sã determinãm extremele locale ale funcþiei f : IR2IR,
13 y 2 2 y 3 y x 2 2 x 3 3 x ) y , x ( f
2 3 2
3
. Cum fC2(IR2) rezultã cã putem determina
toate punctele de extrem prin metoda descrisã:
Pasul 1. Determinãm punctele staþionare din sistemul:
0 2 y y ) y , x ( ` f
0 2 x 3 x ) y , x ( ` f
2 y
2 2 x
,
deci punctele (1,1), (1,-2), (2,1) ºi (2,-2) sunt conform teoremei lui Fermat posibile puncte de extrem.
Pasul 2. Studiem natura punctelor staþionare folosind criteriul lui Sylvester. Hessiana funcþiei f în punctul curent este :
Hf(x,y)=
1 y 2 0
0 3 x 2
, iar 1(x,y)=2x3, 2(x,y)=(2x3)(2y1).
În (1,1), 1=1 ºi 2=1, deci acest punct nu este punct de extrem pentru f. În punctul (1, 2), 1 = 1 < 0, 2 = 5 > 0, deci (1,-2) este un maxim local ºi fmax=f(1, 2)=79/6.
Deoarece 1(2,1) = 1, 2(2,1) = 1 > 0 rezultã cã (2,1) este un punct de minim local pentru f ºi fmin=23/2.
În sfarºit, în (2, 2) avem 1= 1<0, 2= 5<0, deci punctul (2, 2) nu este un extrem al funcþiei f.
Observaþie. Dacã într-un punct staþionar a al funcþiei f diferenþiala a doua se
anuleazã ºi f este de clasã Cn, n3 atunci folosim o dezvoltare de ordin superior în
formula lui Taylor; dacã primele derivate parþiale nenule sunt de ordin impar, atunci
punctul staþionar nu este extrem pentru f.
Exemplul 5. Sã se determine extremele locale ale funcþiei f : IR3 IR,
f(x,y,z)=x4+y4+z4- 4xyz.
Rezolvare. Determinãm mai întâi punctele staþionare rezolvând sistemul:
0 ) xy z ( 4 ) z , y , x ( ` f
0 ) zx y ( 4 ) z , y , x ( ` f
0 ) yz x ( 4 ) z , y , x ( ` f
3 z
3 y
3 x
Deci punctele (0,0,0), (1,1,1), (1,-1,-1), (-1,1,-1), (-1,-1,1) sunt posibile puncte de extrem. Hessiana funcþei f în punctul curent este:
Hf(x,y,z)=4
2 2 2
z 3 x y
x y
3 z
y z x
3
.
(a). Deoarece Hf(0,0,0) este matricea nulã, d2(0.0.0)f=0. Vom studia semnul diferenþialei de ordinul trei în (0,0,0). Cum d2f 4
3
x2dxy2dyz2dz
2
zdxdy
zdxdy ydxdz24dxdydz, adicã d3(0,0,0)f(x,y,z) = 24xyz, care este o formã ternarã ce îºi schimbã
semnul în orice vecinãtate a originii; prin urmare (0,0,0) nu este un punct de extrem
pentru f.
(b). Deoarece Hf(1,1,1)=4
(c). Deoarece f(x,y,z)=f(y,z,x)=f(z,x,y), pentru a studia natura punctelor staþionare rãmase este suficient sã analizãm natura punctului (1,-1,-1). Cum
Exemplul 6. Dintre toate paralelipipedele drepte pentru care suma lungimilor laturilor este egalã cu a>0 sã se determine cel al cãrui volum e maxim.
Rezolvare. Fie x,y,z lungimile laturilor unui asemenea paralelipiped; atunci volumul sãu este :
Deci singurul punct staþionar este
continuã pe un compact rezultã cã ea este mãrginitã ºi îºi atinge marginile. Pe
interiorul lui B , adicã pe B am vãzut cã existã un singur extrem:
3 a , 3 a
.
Rãmâne sã determinãm extremele pe frontierã. Pe segmentul OC avem y=0
ºi x[0,a], deci funcþia h(x)= g(x,0) = 0 este constantã; analog pe OD; pe CD avem
x+y=a, x[0,a] ºi k(x)=g(x,a-x)=0. Prin urmare imaginea funcþiei g este Im g=g(B )=
27 a , 0
3
ºi maximul ei absolut este atins în interior; deci
3 a , 3 a
este un
maxim absolut pentru f, iar
3 a , 3 a , 3 a
este un maxim absolut pentru V. În consecinþã,
parealelipipedul cãutat este cubul de laturã
3 a
.
Observaþie. Dacã f : A IRp IR este o funcþie continuã ºi A este o mulþime
compactã, atunci extremele sale absolute se determinã astfel: (a) determinãm extremele locale pe Å,
(b) determinãm extremele locale pe frontiera Fr A;
atunci maximul absolut e cel mai mare maxim local, iar minimul global este cel mai mic minim local (dintre cele determinate la (a) ºi (b)). Pentru funcþiile de douã
variabile problema determinãrii extremelor pe frontierã se reduce, ca în exemplul
precedent, la determinarea extremelor unor funcþii de o singurã variabilã. În cazul
funcþiilor de trei variabile determinarea extremelor pe frontierã revine la studiul
extremelor unor funcþii de douã variabile, º.a.m.d. Ne vom ocupa de aceastã
problemã în secþiunea consacratã extremelor cu legãturi.
Exemplul 7. Determinaþi extremele absolute ale funcþiei f(x,y) = xy pe domeniul triunghiular de vârfuri O(0,0), A(1,0), B(0,2).
Rezolvare. Domeniul de definiþie al funcþiei f este D={(x,y) IR2 | x,y 0, x + y / 2 1}.
1. Pe interiorul mulþimii D, deci pe
D ={(x,y)|x,y > 0, 2x + y <2} sistemul: 0
y
x
C(a,0) B
D(0,a)
D
0 y
x
extreme locale.
2. Pe frontiera Fr D=OABO considerãm cazurile:
2.1. Pe segmentul [OA] avem y = 0 ºi x[0,1]. Funcþia g(x) = f(x,0) = 0 este
urmare ecuaþia datã determinã unic funcþia z z
x,y într-o vecinãtate a unui punct
a,b,c
IR3, cu c0, care verificã aceastã ecuaþie. Vom determina
a,b,c
, c0 astfelca funcþia implicitã z z(x,y) sã admitã punctul (a,b) ca punct staþionar din sistemul
f(x,y,z)0, f
x,y,z
4x
x2 y2 z2
2x 0x , f
x,y,z
4y
x y z
0 2 2 2y ;
obþinem xy0 ºi z1. Conform teoremei funcþiilor implicite existã douã funcþii
U C z ,z1 2 2 , unde UV 0,0 care admit punctul (0,0) ca punct staþionar, iar
0,0 1z1 ºi z2
0,0 1. Darf
x
2(x,y,z) 4(x2+y2+z2)+8x2+2,
xy
f
(x,y,z) 8xy ºif
y
2(x,y,z) 4(x2+y2+ z2)+8y2, Iar
f
x
2(0,0,1) 6,f
xy
(0,0,1) 0, f 2
0,0, 1
4y ºi
f
z
(0,0,1) 6. Aºadar hessiana funcþiei z1 este
3 2 0
0 1 0
, 0 H
1
z ,
1 1
ºi
3 2 2
, deci funcþia z1 are un maxim local în (0,0) ºi z1 max z1(0,0)1. Analog
3 2 0
0 1 0 , 0 H
2
z ,
iar 1 10, 0 3 2 2
; prin urmare funcþia z2 are un minim local în origine ºi z2 min
z2(0,0)1.
Exemplul 9. Sã se determine imaginea funcþiei
f : A={(x,y)
2|
x2 + y2≤ 1} ,f
x,y xy13Rezolvare. Funcþia f este continuã pe compactul A IR2; prin urmare
imaginea f(A) este compactã în IR (teorema 15, cap.1) ºi f îºi atinge marginile
(teorema 16, cap.1). Rãmâne sã determinãm aceste margini. Cum f' 1 0,
x pe interiorul A
(x,y) |(x2 y2 1
nu existã puncte staþionare, deci nici extreme (teorema lui Fermat); prin urmare extremele sunt atinse pe frontiera mulþimii A, FrA = {(x,y) IR2| x2+ y2 = 1}, ceea ce înseamnã cã trebuie sã determinãm
extremele funcþiei f cu legãtura x2 y2 10. Fie IR multiplicatorul lui
Lagrange; funcþia lui Lagrange este:
x,y,
x y 13
x y 1
L 2 2 ,
iar sistemul *** este format din ecuaþiile: 0
x 2 1
Lx , Ly 12y0, L x2y210
,
deci
2 1
x ,
2 1
y ºi 1
4 1 2 2
. Pentru 2
1
avem x=
2 1 y , 2
1
ºi
pentru
2 1
obþinem
2 1 x ºi
2 1
doilea a funcþiei F
x,y L x,y,
unde este constantã ( Prin diferenþierea legãturilor avemExemplul 11. Sã se determine distanþa de la sfera de ecuaþie S : x2 + y2 +
+ z2 = 1 la dreapta de ecuaþii D : y = x, z = x +2.
Rezolvare. Distanþa de la un punct M (x, y, z) S la un punct P( u, v, w) D defineºte o funcþie de ºase variabile:
d (P, M) = g (x, y, z, u, v, w) =
xu
2 yv
2 zw
2 (1) Problema noastrã constã în determinarea minimului absolut al funcþiei g cu legãturile:x2 + y2 + z2– 1 + 0; v – u = 0 ºi w – u – 2 = 0 (2) Deoarece funcþia lui Lagrange asociatã are nouã variabile (cele ºase ale
funcþiei g plus trei multiplicatori) iar derivatele sunt complicate, vom încerca sã
simplificãm problema. Sã constatãm întâi cã punctul de minim al funcþiei g coincide
cu cel al funcþiei:
f (x, y, z, u) = (x - u)2 + (y - u)2 + (z – u - 2)2 (3) cu singura legãturã
x2 + y2 + z2 – 1 = 0. (4)
Funcþia lui Lagrange este în acest caz:
L (x, y, z, u, ) = (x - u)2 + (y - v)2 + (z – u - 2)2 + (x2 + y2 + z2 - 1) (5) Sã determinãm punctele staþionare pentru L din:
L’x = 2 [( + 1)x - u] = 0, L’y = 2[( + 1)y - u] = 0, L’z = 2[( + 1)z – u - 2] = 0, L’u = 2(x + y + z - 3u – 2) = 0 ºi L’ = x2 + y2 + z2– 1 = 0.
Rezolvând acest sistem obþinem:
32 2 1 ,
1 3
4 z
, ) 1 ( 3
2 y
x , 3 2
u
(6)
Diferenþiind legãtura (4), din (6) rezultã:
dx dy
2 1
dz (7) Ne intereseazã doar minimul funcþiei auxiliare
F (x, y, z, u) = L (x, y, z, u, ) (8) unde este o constantã. Diferenþiind obþinem succesiv:
dF = 2[(x-u)(dx-du) + (y-u)(dy-du) + (z-u-2)(dz-du) + (xdx+ydy+zdz)], d2F = 2[(dx-du)2 + (dy-du)2 + (dz-du)2 + (dx2+dy2+dz2)] =
= 2[(+1) (dx2+dy2+dz2)+3du2 -2du (dx + dy + dz)] ) 7 (
) 7
(2
du dy dx 3 du 3 dxdy 2 dy 5 dx 5 4
1 2 2 2 . (9)
Conform criteriului lui Sylvester, pentru ca forma pãtraticã (9) sã fie pozitiv definitã
este necesar ca 0
2 1 5
1
. Prin urmare din (6) obþinem:
3 2 u , 6 2 z , 6 1 y x , 3 2 2
1
(10)
Din punct de vedere geometric problema este unic determinatã; prin urmare distanþa
de la sfera S la dreapta D este, conform formulelor (10), (1) ºi (2):
2 2 3
3 5 3
4 , 3 2 , 3 2 , 6 2 , 6 1 , 6 1 d ) D , S (
d
EXERCI
Þ
I
I PROPUSE
Exercþiul 1. Sã se dezvolte dupã puterile lui x + 1, y + 1, z – 1 polinoamele
(a) f(x, y) = x3 + y3– 3 x y + 13
(b) f(x, y, z) = x3 + y3 - z3 + 3x2y – 3xy + z2– z + 22
Rãspuns. (a) f (x, y) = 8 + 6(x + 1) + 6(y + 1) – 3 (x + 1)2 – 3(y + 1)2– 3(x +
+1)(y + 1) + (x +1)3 + (y + 1)3; (b) f(x, y, z) = 13 + 12(x + 1) + 15(y + 1) – 2 (z - 1) –
– 6(x + 1)2 – 3 (y + 1)2 – 2 (z - 1)2 – 9(x + 1)(y + 1) +(x + 1)3 + (y + 1)3 – (z - 1)3 + +6(x + 1)2(y + 1).
Exerciþiul 2. Sã se scrie polinomul Taylor de gradul al doilea pentru:
(a) f(x, y) = ln(x2 + x + y2) în punctul (0,1) (b) f(x,y,z) = ex arctg (y + z) în punctul (0,0,1)
Rãspuns. (a) T2(x,y) =
2 1
x2 – 2xy – y2 +3x – 3; (b) T2 (x, y, z)= 8
x2 – y2 –
–z2 +
2
1
xy +
2
1
xz – 2yz + x 2 1 4
+
2
5
y+
2
5
z+ 4
-2
3
.
Exerciþiul 3.Folosind formula lui Taylor de ordinul al doilea sã se arate cã:
(a)
1,013 1,99 3 2,9851 (b) 1,033 0,98 1,0081 (c) (1,1)1,02 1,1021Exerciþiul 4. Sã se determine E1 = (1,1)1,2 ºi E2 = (0,99)1,01 + (1,01)1,001 +
+(1,001)0,99ºi E3 = (1,01)0,99 + (0,99)0,999 + (0,999)1,01 cu trei zecimale exacte.
Rãspuns. E 1 1,121; E2 3,001; E 3 2,999.
Exerciþiul 5. Sã se determine extremele locale ale funcþiilor
(a) f(x,y) = x3– 3xy2 + x2– 2xy + 3y2 + 2y + 27 370 (b) f(x,y) = 2x3– y3 +(y-x)2
(c) f(x,y) = ex (cos y – x) + cos y (d) f(x,y,z) = x2 + y2 + z 2 – xy + x – 2z (e) f(x,y,z) = x 3 + y 2 + z2 + 12xy + 2z (f) f(x,y,z) = x +
y z x 4 y x
2 2 2
(g) f(x,y,z) =
y x
z x z
y z y
x
, x,y,z >0
(h) f(x,y,z) = x3 + y3– z3 – x2y + 3z2 + 13
Rãspuns. (a) f min= 13;
3 1 , 3 1
f
(b) fmin= ;
27 2 12 17 3
2 2 , 3
1 2
f
(c) fmax=f(0,2k)=2, k Z; (d) fmin = ; 3 4 1 , 3 1 , 3 2
f
(e) fmin = f(24, -144, -1) = -6913; (f) nu are extreme; (g) fmin=f(a,a,a) = ,a 0;
2 3
(h) f min= f(0,0,0)=13, fmax = f(0,0,2) = 17.
Exerciþiul 6. Sã se determine punctele de extrem local ºi extremele locale
ale funcþiilor y = y(x) ºi x = x(y) definite implicit de ecuaþiile: (a) x3 + y3– 3x2y – 3 = 0
(b) ey + y = x2 +1
Rãspuns. (a) y min = y1(0) =3 3 ; y max = y2 (-2) = -1; xmax = x1
3 3 33; xmax = x2(-1)=1; (b) ymin = y(0) = 0.Exerciþiul 7. Sã se determine punctele de extrem local ºi extremele locale
ale functiilor implicite z = z(x,y) definite implicit de ecuaþiile (a) x2 + y2 + z2– 4 z = 0
(b) x2 + y2 + z2 – xz – yz + 2x + 2y + 2z + 2=0 (c) x2 + y2 + z3 + z = 0
Rãspuns. (a) zmin=z1(0,0)=0, zmax=z2(0,0)=4; (b) zmin=z1
3 6,3 6
, 6 2 44
z max = z2
6 3, 63
2 64;(c) z max = z (0,0) = 0.Exerciþiul 8. Sã se studieze extremele locale ale funcþiilor de clasã C2
definite implicit de ecuaþia x2–2x + y2 + z + ez = 0.
Rãspuns: zmax = z(1,0)=0; celelalte funcþii implicite definite de ecuaþie
(z = z(x,y), x = x(y,z), y = y(z,x)) nu admit extreme locale.
Exerciþiul 9. Sã se studieze extremele locale ale funcþiilor de clasã C2
definite implicit de ecuaþia:(x2+y2+z2)2= a2-x2-z2, aIR*.
Rãspuns. Dintre funcþiile z = z(x,y), definite de ecuaþie, douã admit extreme:
zmin=z1(0,0)= 2
1 4a 1
, 21 2
zmax=z2(0,0)= 2
1 4a 1
21 2 ; analog, pentru
x = x(y,z), xmin= 2
1 4a 1
x
0,0, 21
1 2
xmax=x2(0,0)= 2
1 4a 1
; 21 2
dintre funcþiile y = y(x,z) douã admit extreme: ymin=y1(0,0)= a ºi ymax=y2(0,0)= a ,
pentru a (0,).
Exerciþiul 10. Sã se determine extremele cu legãturi ale funcþiei f:
(a) f(x,y) = xy, y=x
(b) f(x,y) = x2 + y2, 3x + 2y = 6 (c) f(x,y) = cos2 x + cos2 y, y = x +
4
Rãspuns. (a) fmin = f(0,0)=0; (b) fmin = f
13 36
13 12 , 13 18
; (c) f
max = =
2 2 1 8 k , 8 k
f
, fmin= ,
2 2 1 8 5 k , 8 3 k
f
k
Z.
Exerciþiul 11. Sã se determine extremele urmãtoarelor funcþii cu legãturile
specificate în dreptul lor:
(a) f(x,y,z) = x2y + z2– xy – x – y – z –1, 2x – y – z = 0, x – 2y + z =0. (b) f(x,y,z) = sin x sin y sin z, x+ y + z = ,
2
x,y,z (0,).
(c) f (x,y,z) = xp + yp + zp, xp-1 + y p-1 + z p-1 = a p-1, a > 0, p IN, p 2.
Rãspuns. (a) fmin = f (1,1,1) = 1, fmax = f (-1, -1, -1) = -3; (b) fmax =
=f ;
8 1 6 , 6 ,
6
(c) dacã p 2 IN,
1p 1p 1p
1p p pmin f 3 a ,3 a ,3 a 3 a
f 2 ; dacã p este
impar: fmax f
31pa ,31pa ,31pa
31pp2ap, fmin f
31pa ,31pa ,31pa
31pp2ap.Exerciþiul 12. Sã se determine imaginile funcþiilor
(a) f : {(x,y) IR2x2+y2 ≤ 1} IR ,f(x,y)xy (b) f : {(x,y) IR2|x|+|y|≤ 1} IR ,f(x,y)x2y2
(c) f : {(x,y) IR2 y ≤ 2x, x ≤ 3, y ≥ 0}{x,y) IR2-2 ≤ x ≤ 3, -3 ≤ y ≤
0} IR , f(x,y) = x3– 3x + y3– 12y.
Rãspuns. (a)
2 1 , 2 1
; (b) [-1, 1]; (c) [ - 18, 162].
Exerciþiul 13. Sã se determine imaginile funcþiilor:
(a) f(x,y,z) = x + 3 y – 2 z, f : {(x,y,z) IR3 |x2 + y2 + z2 ≤ 14} IR
(b) f(x,y,z) = x2 y2 z2 , f : {(x,y,z) IR3| x,y,z ≥ 0 , x + y + z ≤ 13} IR Rãspuns. (a) [-14, 14]; (b) [0,13].
Exerciþiul 14. Sã se arate cã punctul din planul de ecuaþie x + y + z = a care
este cel mai apropiat de origine este
3 a , 3 a , 3 a
.
Exerciþiul 15. Sã se determine distanþa de la planul de ecuaþie P : x+ y+ z= 6
la elipsoidul de ecuaþie E : 2z 1 2
y
x 2
2
2 .
Rãspuns. d(P,E) =
14 1
3
3
.
Exerciþiul 16. Sã se calculeze aria elipsei de intersecþie a cilindrului de
ecuaþie 1
b y a x
2 2
2 2
Rãspuns. A2 B2 C2
C ab
.
Exerciþiul 17. Sã se arate cã dintre toate patrulaterele care pot fi construite
cu laturile de lungime datã, patrulaterul de arie maximã este inscriptibil.
Exerciþiul 18. O cisternã de forma unui paralelipiped drept deschis în partea
superioarã trebuie construitã din tablã cu aria 300 m2. Sã se determine dimensiunile
acestei cisterne astfel încât sã aibã capacitatea maximã. Rãspuns: Vmax = V(10, 10, 5) = 500 m3.
Exerciþiul 19. Sã se determine imaginile funcþiilor z = z (x,y), definite implicit
de ecuaþia x4 + y4 + z4 = 13, unde z : {(x,y) IR2x2+y2=1} IR.
Rãspuns. Ecuaþia defineºte douã funcþii z=z1(x,y) ºi z=z2(x,y);
2 5 , 3 2 z
Im , 3 2 , 2 5 z