MAT1052 · 11. hafta · Maximum and Minimum Problems

Yerel ekstremumlar ve ikinci türev testi

İki değişkenli bir fonksiyonun kritik noktalarını bulmayı ve ikinci türev testiyle (diskriminant D) yerel maksimum, yerel minimum ve eyer noktası olarak sınıflandırmayı, uygulama problemlerinde de tek değişkene indirgemeyi öğrenirsin.

critical pointlocal maximumlocal minimumsaddle pointsecond derivative testdiscriminantHessianinconclusiveoptimization

Tek değişkenli calculus’ta f′(x)=0f'(x) = 0 noktalarını bulup f′′f''‘nin işaretine bakıyordun. İki değişkende fikir aynı ama iki farkla: kritik nokta bulmak için iki denklemi aynı anda çözersin ve ikinci türev testi tek bir sayı yerine dört ikinci türevi birleştiren diskriminant DD ile yapılır. Yeni bir nokta türü de ortaya çıkar: bir yönde minimum, başka yönde maksimum gibi davranan eyer noktası (saddle point). Sınavda bu konu “find and classify all critical points” sorusu olarak neredeyse her zaman çıkar; asıl puan, denklem sistemini eksiksiz çözmekten gelir.

Altın kurallar:

  1. Kritik nokta: fx=0f_x = 0 ve fy=0f_y = 0. Sistemi çözerken çarpanlara ayır, bölme yaparak kök kaybetme.
  2. Her kritik noktada D=fxxfyy−fxy2D = f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2‘yi ayrı hesapla.
  3. D<0D<0 ise eyer, D>0D>0 ise fxxf_{xx}‘in işaretine bak. D=0D = 0 ise test susar.
  4. Cevaba noktayı, türünü ve fonksiyon değerini yaz.

Tanımlar

ff, (a,b)(a,b)‘nin çevresindeki bütün noktalarda f(x,y)≤f(a,b)f(x,y)\le f(a,b) sağlıyorsa (a,b)(a,b) bir yerel maksimum (local maximum), f(x,y)≥f(a,b)f(x,y)\ge f(a,b) sağlıyorsa yerel minimum noktasıdır.

Teorem (birinci türev). ff‘nin (a,b)(a,b)‘de yerel ekstremumu varsa ve kısmi türevler varsa fx(a,b)=0f_x(a,b) = 0 ve fy(a,b)=0f_y(a,b) = 0. Yani ∇f=0\nabla f = \mathbf 0 ve teğet düzlem yataydır.

∇f=0\nabla f = \mathbf 0 olan (ya da kısmi türevlerden birinin tanımsız olduğu) noktalara kritik nokta denir. Her ekstremum kritik noktadır ama her kritik nokta ekstremum değildir.

Eyer noktası. Kritik nokta olup ekstremum olmayan nokta. Klasik örnek z=y2−x2z = y^2-x^2 (hiperbolik paraboloit): orijinde xx ekseni boyunca maksimum, yy ekseni boyunca minimum. At eyerinin ortası gibi.

İkinci türev testi

(a,b)(a,b) kritik nokta ve ikinci türevler sürekli olsun.

D=fxx(a,b) fyy(a,b)−[fxy(a,b)]2=∣fxxfxyfxyfyy∣D = f_{xx}(a,b)\,f_{yy}(a,b)-\big[f_{xy}(a,b)\big]^2 = \begin{vmatrix}f_{xx}&f_{xy}\\f_{xy}&f_{yy}\end{vmatrix}

DDfxxf_{xx}Sonuç
>0>0>0>0yerel minimum
>0>0<0<0yerel maksimum
<0<0herhangieyer noktası
=0=0herhangitest sonuç vermez

Sezgi. D>0D>0 demek, yüzeyin kritik noktada bütün yönlerde aynı tarafa büküldüğü demek; ya kase (min) ya ters kase (max). Hangisi olduğunu herhangi bir yöndeki bükülme, örneğin fxxf_{xx}, söyler. D<0D<0 demek, bazı yönlerde yukarı bazı yönlerde aşağı büküldüğü demek: eyer. fxyf_{xy} terimi karışık yönlerdeki bükülmeyi hesaba katar; fxxf_{xx} ve fyyf_{yy} ikisi de pozitif olsa bile fxyf_{xy} büyükse nokta eyer olabilir.

TUZAK · fxxf_{xx} ve fyyf_{yy} aynı işaretli diye min/max demek. f=x2+4xy+y2f = x^2+4xy+y^2: fxx=2>0f_{xx} = 2>0, fyy=2>0f_{yy} = 2>0, ama fxy=4f_{xy} = 4 ve D=4−16=−12<0D = 4-16 = -12<0. Orijin eyer. y=−xy = -x doğrusu boyunca f=−2x2f = -2x^2, aşağı iniyor. DD‘yi hesaplamadan karar verme.

Çözümlü örnekler

Örnek 1 (tek kritik nokta). f(x,y)=x2+2y2−4x+4y+1f(x,y) = x^2+2y^2-4x+4y+1.

f_x = 2x - 4 = 0    →  x = 2
f_y = 4y + 4 = 0    →  y = -1
f_xx = 2, f_yy = 4, f_xy = 0,  D = 8 > 0, f_xx > 0  →  yerel min
f(2,-1) = 4 + 2 - 8 - 4 + 1 = -5

Örnek 2 (iki kritik nokta). f(x,y)=xy−x33−y22f(x,y) = xy-\dfrac{x^3}{3}-\dfrac{y^2}{2}.

fx=y−x2=0f_x = y-x^2 = 0 ve fy=x−y=0f_y = x-y = 0. İkinciden y=xy = x, birinciye koy: x−x2=x(1−x)=0x-x^2 = x(1-x) = 0. Noktalar (0,0)(0,0) ve (1,1)(1,1).

İkinci türevler: fxx=−2xf_{xx} = -2x, fyy=−1f_{yy} = -1, fxy=1f_{xy} = 1, D=2x−1D = 2x-1.

NoktaDDfxxf_{xx}Türff
(0,0)(0,0)−1-100eyer00
(1,1)(1,1)11−2-2yerel maks1−13−12=161-\frac13-\frac12 = \frac16

İPUCU · kök kaybetme. x−x2=0x-x^2 = 0 denklemini xx‘e bölüp x=1x = 1 yazarsan (0,0)(0,0)‘ı kaybedersin. Her zaman çarpanlara ayır: x(1−x)=0x(1-x) = 0. Q4 ve Q6’daki x4=xx^4 = x, x9=xx^9 = x denklemleri de aynı tuzak.

Sistem çözme stratejileri

Sistem tipiStrateji
İkisi de lineerYerine koyma ya da yok etme
Biri y=g(x)y = g(x) biçimine kolay getiriliyorDiğerine koy, tek değişkenli denklem
Simetrik (x↔yx\leftrightarrow y değişince aynı)y=xy = x ve y=−xy = -x durumlarını dene, ama diğer çözümleri de ara
Çarpım biçiminde (x(…)=0x(\ldots) = 0)Her çarpanı ayrı ayrı sıfırla, durumları birleştir

Örnek 3 (D=0D = 0). f=x4−y4f = x^4-y^4, orijinde bütün ikinci türevler 00, D=0D = 0. Test susuyor. Yollara bak: xx ekseninde f=x4≥0f = x^4\ge0, yy ekseninde f=−y4≤0f = -y^4\le0. Orijinin her komşuluğunda hem pozitif hem negatif değer var: eyer. Aynı durumda x4+y4x^4+y^4 minimum, −(x4+y4)-(x^4+y^4) maksimum. Yani D=0D = 0 olduğunda her şey olabilir.

Uygulama problemleri

Optimizasyon sorularında genelde üç değişken ve bir kısıt vardır. Kısıtı kullanarak bir değişkeni yok et, iki değişkenli fonksiyona indir, sonra bu sayfadaki testi uygula.

1) Neyi optimize ediyorsun? (alan, hacim, uzaklık, maliyet) → formül
2) Kısıt: xyz = V, x + y + z = k, nokta düzlemde ...  → z'yi çek
3) İki değişkenli fonksiyon kur, kritik nokta bul
4) D ile min/maks olduğunu doğrula (ya da fiziksel olarak tek aday)
5) Üçüncü değişkeni ve istenen değeri hesapla

Uzaklık hilesi. Bir noktaya en yakın noktayı ararken …\sqrt{\ldots}‘yu değil, uzaklığın karesini minimize et. Kök artan bir fonksiyon olduğu için aynı noktada minimum olur ve türevler çok daha temiz çıkar.

Gelecek hafta aynı problemleri değişken yok etmeden, Lagrange çarpanlarıyla çözmeyi ve kapalı bölgelerde mutlak ekstremum bulmayı göreceğiz.

Sık yapılan hatalar

YanlışDoğrusu
Sistemi çözerken xx‘e bölmekÇarpanlara ayır, x=0x=0 çözümünü koru
DD‘yi bir kez hesaplayıp her noktaya uygulamakHer kritik noktada ayrı ayrı
D>0D>0 ise hep minimumfxxf_{xx}‘in işaretine bak
D=0D = 0 ise eyerSonuç yok; doğrudan incele
DD formülünde fxyf_{xy}‘yi iki kez almamakfxxfyy−fxy2f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2
Sadece noktayı yazmakTür ve ff değeri de istenir
Uygulamada üçüncü boyutu unutmakzz‘yi kısıttan geri hesapla
Uzaklığı kökle türevlemekKaresini minimize et

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

Find and classify the critical point of f(x,y)=x2+y2−4x+6yf(x,y) = x^2+y^2-4x+6y.

Cevabı göster
Local min at (2,−3)(2,-3), f=−13f=-13

fx=2x−4=0f_x = 2x-4 = 0, fy=2y+6=0f_y = 2y+6 = 0: (2,−3)(2,-3).fxx=2f_{xx} = 2, fyy=2f_{yy} = 2, fxy=0f_{xy} = 0, D=4>0D = 4>0, fxx>0f_{xx}>0: yerel minimum.f(2,−3)=4+9−8−18=−13f(2,-3) = 4+9-8-18 = -13. (Tam kareye tamamlarsan (x−2)2+(y+3)2−13(x-2)^2+(y+3)^2-13, aynı sonuç.)

Soru 2kolay

Classify the critical point of f(x,y)=x2−y2f(x,y) = x^2-y^2.

Cevabı göster
Saddle point at (0,0)(0,0)

fx=2xf_x = 2x, fy=−2yf_y = -2y, tek kritik nokta (0,0)(0,0).D=(2)(−2)−0=−4<0D = (2)(-2)-0 = -4<0: eyer noktası. xx yönünde minimum, yy yönünde maksimum gibi davranıyor.

Soru 3orta

Find and classify all critical points of f(x,y)=x3−3x+y2f(x,y) = x^3-3x+y^2.

Cevabı göster
(1,0)(1,0) local min (f=−2f=-2), (−1,0)(-1,0) saddle

fx=3x2−3=0⇒x=±1f_x = 3x^2-3 = 0\Rightarrow x = \pm1; fy=2y=0⇒y=0f_y = 2y = 0\Rightarrow y = 0.fxx=6xf_{xx} = 6x, fyy=2f_{yy} = 2, fxy=0f_{xy} = 0, D=12xD = 12x.(1,0)(1,0): D=12>0D = 12>0, fxx=6>0f_{xx} = 6>0, yerel min, f=1−3=−2f = 1-3 = -2.(−1,0)(-1,0): D=−12<0D = -12<0, eyer.

Soru 4orta

Find and classify all critical points of f(x,y)=x3+y3−3xyf(x,y) = x^3+y^3-3xy.

Cevabı göster
(0,0)(0,0) saddle; (1,1)(1,1) local min, f=−1f=-1

fx=3x2−3y=0⇒y=x2f_x = 3x^2-3y = 0\Rightarrow y = x^2. fy=3y2−3x=0⇒x=y2=x4f_y = 3y^2-3x = 0\Rightarrow x = y^2 = x^4.x(x3−1)=0x(x^3-1) = 0: x=0x = 0 ya da x=1x = 1. Noktalar (0,0)(0,0), (1,1)(1,1).fxx=6xf_{xx} = 6x, fyy=6yf_{yy} = 6y, fxy=−3f_{xy} = -3, D=36xy−9D = 36xy-9.(0,0)(0,0): D=−9<0D = -9<0, eyer. (1,1)(1,1): D=27>0D = 27>0, fxx=6>0f_{xx} = 6>0, yerel min, f=1+1−3=−1f = 1+1-3 = -1.

Soru 5orta

Find and classify the critical point of f(x,y)=xy−x2−y2+3yf(x,y) = xy-x^2-y^2+3y.

Cevabı göster
Local max at (1,2)(1,2), f=3f = 3

fx=y−2x=0f_x = y-2x = 0, fy=x−2y+3=0f_y = x-2y+3 = 0. İlkinden y=2xy = 2x, ikinciye koy: x−4x+3=0x-4x+3 = 0, x=1x = 1, y=2y = 2.fxx=−2f_{xx} = -2, fyy=−2f_{yy} = -2, fxy=1f_{xy} = 1, D=4−1=3>0D = 4-1 = 3>0, fxx<0f_{xx}<0: yerel maksimum.f(1,2)=2−1−4+6=3f(1,2) = 2-1-4+6 = 3.

Soru 6zor

Find and classify all critical points of f(x,y)=x4+y4−4xyf(x,y) = x^4+y^4-4xy.

Cevabı göster
(0,0)(0,0) saddle; (1,1)(1,1) and (−1,−1)(-1,-1) local min, f=−2f=-2

fx=4x3−4y=0⇒y=x3f_x = 4x^3-4y = 0\Rightarrow y = x^3. fy=4y3−4x=0⇒x=y3=x9f_y = 4y^3-4x = 0\Rightarrow x = y^3 = x^9.x9−x=x(x8−1)=0x^9-x = x(x^8-1) = 0: x=0,±1x = 0,\pm1. Noktalar (0,0)(0,0), (1,1)(1,1), (−1,−1)(-1,-1).fxx=12x2f_{xx} = 12x^2, fyy=12y2f_{yy} = 12y^2, fxy=−4f_{xy} = -4, D=144x2y2−16D = 144x^2y^2-16.(0,0)(0,0): D=−16D = -16, eyer. (±1,±1)(\pm1,\pm1): D=128>0D = 128>0, fxx=12>0f_{xx} = 12>0, yerel min, f=1+1−4=−2f = 1+1-4 = -2.

Soru 7orta

For f(x,y)=x4+y4f(x,y) = x^4+y^4, what does the second derivative test say at (0,0)(0,0), and what is the actual nature of the point?

Cevabı göster
Test inconclusive (D=0D=0); actually a local (absolute) min

fxx=12x2f_{xx} = 12x^2, fyy=12y2f_{yy} = 12y^2, fxy=0f_{xy} = 0; orijinde hepsi 00, D=0D = 0: test sonuç vermez.
Doğrudan bak: f≥0f\ge0 her yerde ve f(0,0)=0f(0,0) = 0. Yani orijin minimum.

Soru 8orta

Find and classify the critical point of f(x,y)=2x2+y2+2xy−2xf(x,y) = 2x^2+y^2+2xy-2x.

Cevabı göster
Local min at (1,−1)(1,-1), f=−1f = -1

fx=4x+2y−2=0f_x = 4x+2y-2 = 0, fy=2y+2x=0⇒y=−xf_y = 2y+2x = 0\Rightarrow y = -x. İlkine koy: 4x−2x−2=04x-2x-2 = 0, x=1x = 1, y=−1y = -1.fxx=4f_{xx} = 4, fyy=2f_{yy} = 2, fxy=2f_{xy} = 2, D=8−4=4>0D = 8-4 = 4>0, fxx>0f_{xx}>0: yerel min.f(1,−1)=2+1−2−2=−1f(1,-1) = 2+1-2-2 = -1.

Soru 9zor

Find the point on the plane x+2y+z=6x+2y+z = 6 closest to the origin, using the second derivative test.

Cevabı göster
(1,2,1)(1,2,1), distance 6\sqrt6

z=6−x−2yz = 6-x-2y. Uzaklığın karesini en küçükle: g(x,y)=x2+y2+(6−x−2y)2g(x,y) = x^2+y^2+(6-x-2y)^2.gx=2x−2(6−x−2y)=0⇒4x+4y=12g_x = 2x-2(6-x-2y) = 0\Rightarrow 4x+4y = 12. gy=2y−4(6−x−2y)=0⇒4x+10y=24g_y = 2y-4(6-x-2y) = 0\Rightarrow 4x+10y = 24.
Çıkar: 6y=126y = 12, y=2y = 2, x=1x = 1, z=1z = 1. gxx=4g_{xx} = 4, gyy=10g_{yy} = 10, gxy=4g_{xy} = 4, D=24>0D = 24>0: min.
Uzaklık 1+4+1=6\sqrt{1+4+1} = \sqrt6.

Soru 10zor

An open-top rectangular box must have volume 3232 cm3^3. Find the dimensions that minimize the surface area.

Cevabı göster
4×4×24\times4\times2 cm, area 4848 cm2^2

xyz=32xyz = 32, z=32xyz = \frac{32}{xy}. Alan (üst yok): S=xy+2xz+2yz=xy+64y+64xS = xy+2xz+2yz = xy+\dfrac{64}{y}+\dfrac{64}{x}.Sx=y−64x2=0S_x = y-\dfrac{64}{x^2} = 0, Sy=x−64y2=0S_y = x-\dfrac{64}{y^2} = 0. Simetriden x=yx = y, x3=64x^3 = 64, x=4x = 4.z=2z = 2. Sxx=128x3=2S_{xx} = \frac{128}{x^3} = 2, Syy=2S_{yy} = 2, Sxy=1S_{xy} = 1, D=3>0D = 3>0: min. S=16+16+16=48S = 16+16+16 = 48.

Soru 11orta

Find and classify all critical points of f(x,y)=y3−3y+x2−2xf(x,y) = y^3-3y+x^2-2x.

Cevabı göster
(1,1)(1,1) local min (f=−3f=-3), (1,−1)(1,-1) saddle

fx=2x−2=0⇒x=1f_x = 2x-2 = 0\Rightarrow x = 1. fy=3y2−3=0⇒y=±1f_y = 3y^2-3 = 0\Rightarrow y = \pm1.fxx=2f_{xx} = 2, fyy=6yf_{yy} = 6y, fxy=0f_{xy} = 0, D=12yD = 12y.(1,1)(1,1): D=12>0D = 12>0, min, f=1−3+1−2=−3f = 1-3+1-2 = -3. (1,−1)(1,-1): D=−12<0D = -12<0, eyer.

Soru 12kolay

At a critical point, fxx=2f_{xx} = 2, fyy=8f_{yy} = 8 and fxy=4f_{xy} = 4. What can you conclude?

Cevabı göster
Nothing: D=0D = 0, the test is inconclusive

D=fxxfyy−fxy2=16−16=0D = f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2 = 16-16 = 0. İkinci türev testi sonuç vermez.fxx>0f_{xx}>0 olması tek başına minimum demek DEĞİL; D>0D>0 şartı da gerekir.

Doğrulama: Her kritik noktada gradientin sıfır olduğu sayısal türevle, D ve f_xx sayısal ikinci türevle hesaplandı; sınıflandırma ayrıca noktanın etrafındaki 72 yönde fonksiyon değerleri taranarak (yukarı/aşağı) bağımsız olarak doğrulandı, D=0 durumları da bu taramayla çözüldü (verify/MAT1052/11.mjs).

Deftere not kartı

Kritik nokta: f_x = 0 VE f_y = 0 (ya da türev yok) Denklem sistemini çöz: birinden y'yi çek, diğerine koy; ÇARPANLARA AYIR, kök kaybetme D = f_xx·f_yy - (f_xy)² (her kritik noktada ayrı hesapla) D > 0, f_xx > 0 → yerel MİN D > 0, f_xx < 0 → yerel MAKS D < 0 → EYER noktası (saddle) D = 0 → test SONUÇ VERMEZ (başka yoldan bak: f'nin işareti, yollar) f_xx yerine f_yy de kullanılabilir (D>0 iken işaretleri aynı) Uygulama: kısıtla bir değişkeni yok et, iki değişkenli fonksiyon kur Uzaklık: karesini minimize et (kök yok, aynı nokta) Cevapta hem noktayı hem f değerini yaz