Esercizio - Estremi assoluti su una striscia illimitata (lezione 17)
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Teoria: Estremi vincolati - metodo diretto e moltiplicatori di LagrangeEstremi vincolati = estremi di f ristretta a una curva g(x,y) = b o a un insieme chiuso K. Metodo diretto: si parametrizza il vincolo, r(t) = (x(t), y(t)), e si studia φ(t) = f(r(t)) con l'Analisi 1 (non dimenticare gli estremi dell'intervallo). Moltiplicatori di Lagrange (D): se P è estremo locale di f|Γ e ∇g(P) ≠ 0 allora ∇f(P) = λ∇g(P); equivale a ∇L = 0 per L = f + λ(b − g). Procedura: punti singolari del vincolo (∇g = 0), punti critici vincolati, confronto dei valori (Weierstrass se Γ è compatto). Estremi assoluti su un insieme chiuso K: interno (∇f = 0), frontiera (Lagrange o parametrizzazione, più i vertici), confronto; se K è illimitato si usa la coercività della funzione all'infinito.Estremi vincolati - metodo diretto e moltiplicatori di Lagrange → (insiemi illimitati) e Massimi e minimi liberi e natura dei punti criticiEstremo assoluto = vale in tutto il dominio, relativo = vale in un intorno; "libero" = il dominio è aperto. Fermat (D): in un punto interno di estremo locale dove f è derivabile, ∇f = 0 (punto critico); non basta (x³, −y³, sella x² − y²). Taylor al secondo ordine (D): con f in C² e ∇f(P) = 0, l'Hessiana definita positiva dà minimo locale stretto, definita negativa massimo locale stretto, indefinita sella; per n = 2: det H > 0 e f_xx > 0 minimo, det H > 0 e f_xx < 0 massimo, det H < 0 sella, det H = 0 non decide (x⁴ + y⁴, −x⁴ − y⁴, x⁴ − y⁴). Estremi globali: Weierstrass in un chiuso illimitato se f → +∞ (o −∞) all'infinito (D), da verificare in coordinate polari con una stima che non dipende dall'angolo.Massimi e minimi liberi e natura dei punti critici →. Fonte: tema d'esame discusso a lezione, corso di Fondamenti di Analisi Matematica 2, Ing. Aerospaziale UniPD.
Testo
Determinare (1) i massimi e minimi relativi interni e (2) gli estremi assoluti della funzione nell'insieme (una striscia verticale).
Soluzione
1. Estremi relativi interni
L'interno di è . Le derivate sono
- . Fra questi, non sta in (è a sinistra di ): restano e .
- (nessuna restrizione).
Punti critici interni: , , , (sei punti). La hessiana è diagonale:
| punto | autovalori , | natura | |
|---|---|---|---|
| , | sella | ||
| , | massimi relativi | ||
| , | minimo relativo | ||
| , | selle |
2. Estremi assoluti
è chiuso ma illimitato.
Minimo. Sulla retta (contenuta in ): per . Quindi e non esiste il minimo assoluto.
Massimo: esiste? Su si ha , quindi e . Allora Se rimanendo in , siccome è confinato in deve essere , e : per confronto all'infinito in . Per Weierstrass generalizzato esiste il massimo assoluto, e sta fra i candidati di interno e frontiera.
Candidati.
- Interno: i massimi relativi con .
- Frontiera : . La derivata in è , nulla in . Valori: : (minimo locale); : (massimi).
- Frontiera : . Valori: : ; : (massimi).
Confronto: , , . Quindi
Grafico interattivo: La striscia S = {−1/2 ≤ x ≤ 2}, illimitata in y. I massimi locali interni (0, ±1) valgono 1; il massimo assoluto 9 è assunto sul bordo destro in (2, ±1). Il punto x = −1 (escluso) non è in S
Errori tipici
- Includere nei punti critici interni , che è fuori da .
- Applicare Weierstrass classico a (illimitato) senza verificare la condizione all'infinito.
- Confrontare solo i candidati interni e dimenticare che il massimo sta sulla frontiera.
Versione ripasso
Testo. su : estremi relativi interni e assoluti.
Soluzione.
- , ; (), . : sella; massimi (); minimo (); selle.
- : nessun minimo. ( in ): il massimo esiste.
- Bordo : max in . Bordo : max in .
- in .
Errori: includere ; Weierstrass senza controllo all'infinito.
Passaggi. Valori: , , , . Bordo sinistro: , , . Bordo destro: , , . Maggiorazione: .