Enunciado

Determine os valores extremos de f   sujeita a ambas as restrições.

f x , y , z = x 2 + y 2 + z 2 ,     x - y = 1 ,         y 2 - z 2 = 1

Passo 1

Hello, meu brother. Vamos resolver essa atividade de valores máximos e mínimos aqui.

A gente precisa encontrar os valores máximos e mínimos da função:

f x , y , z = x 2 + y 2 + z 2

Sujeita a duas restrições:

x - y = 1

y 2 - z 2 = 1

Para isso a gente vai utilizar os multiplicadores de Lagrange.

Para usar os multiplicadores de Lagrange com duas restrições, precisamos fazer:

∇ f x , y , z =   λ ∇ g x , y , z =   μ ∇ h x , y , z

Então devemos encontrar os gradientes da nossa função, e das restrições. Eles são dados por:

∇ g = g x , g y , g z

E por:

∇ h = h x , h y , h z

Teremos então um sistema em conjunto com as equações das restrições. Após resolver esse sistema teremos pontos críticos, que serão testados na equação da função.

O maior valor obtido é o ponto de máximo, e o menor valor o ponto de mínimo.

Passo 2

No nosso caso aqui temos:

f x , y , z = x 2 + y 2 + z 2

g x = x - y = 1

h x = y 2 - z 2 = 1

Para encontrar as derivadas parciais devemos derivar em relação a variável que a gente quer, e manter todas as outras como constantes, fazendo isso, a gente tem:

f x , y , z = x 2 + y 2 + z 2

f x = 2 x

f y = 2 y

E

f z = 2 z

Agora para as restrições:

g x = x - y = 1

g x = 1

g y = - 1

g z = 0

Por último:

h x = y 2 - z 2 = 1

h x = 0

E:

h y = 2 y

E por último:

h z = - 2 z

Teremos então a nossa igualdade entre os vetores:

2 x ,   2 y ,   2 z = λ 1 , - 1,0 + μ ( 0,2 y , - 2 z )

Beleza, daqui a gente tira que:

2 x = λ

2 y =   - λ + 2 y μ

2 z =   - 2 z μ

E precisamos que satisfazer:

    x - y = 1

y 2 - z 2 = 1

Passo 3

De

2 z = �� - 2 z μ

temos que z = 0 ou μ = - 1 .

Se z = 0 , jogamos na restrição e temos:

y 2 = 1

y = ± 1

E aí temos

x - y = 1

x = 2   o u   x = 0

Temos os pontos 0 , - 1,0   ;   ( 2,1 , 0 ) .

Passo 4

Vamos considerar agora que μ = - 1 , que descobrimos no passo anterior:

2 y =   - λ + 2 y μ

Realizando essa substituição:

2 y = - λ - 2 y

4 y =   - λ

Temos também que:

2 x = λ

Podemos escrever então que:

λ =   - 4 y = 2 x

x = - 2 y

Substituímos em x - y = 1 :

- 2 y - y = 1

- 3 y = 1

y = - 1 3

E aí o z :

- 1 3 2 - z 2 = 1

1 9 - z 2 = 1

z 2 = - 8 9     n ã o   é   p o s s í v e l

Então, descartamos essa possibilidade e ficamos com z = 0 mesmo!

Passo 5

Nossos pontos possíveis são somente 0 , - 1,0   ;   ( 2,1 , 0 ) mesmo. Vamos ver o valor deles na função f :

f x , y , z = x 2 + y 2 + z 2

f 0 , - 1,0 = 1

f 2,1 , 0 = 5

O valor mínimo da função nessas restrições então é 1 e o maior é 5 .

Resposta

1   e   5

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