Enunciado

a) Use uma calculadora gráfica ou um computador para traçar o círculo x 2 + y 2 = 1 . Na mesma tela, trace diversas curvas da forma x 2 + y = c até que você encontre duas que apenas toquem o círculo. Qual o significado dos valores de c dessas duas curvas?

b) Utilize os multiplicadores de Lagrange para determinar os valores extremos de f x , y = x 2 + y sujeita à restrição x 2 + y 2 = 1 . Compare sua resposta com a da parte (a).

Passo 1

Opa!! Tudo tranquilinho?? Bom... nessa questãozinha primeiramente queremos plotar a circunferência dada por:

x 2 + y 2 = 1

E, na mesma plotagem, vamos traçar várias curvas com o seguinte formato:

x 2 + y = c

Onde c é uma constante.

O nosso objetivo nessa parte é entender o significado de c .

Em seguida, o enunciado nos deu essa funçãozinha:

f x , y = x 2 + y

Queremos determinar os valores máximo e mínimo da função sujeita a seguinte restrição:

g x , y = x 2 + y 2 = 1

Para determinarmos os valores, teremos que utilizar o Método dos Multiplicadores de Lagrange!!

Mas que método é esse???

Então... para determinar os valores máximo e mínimo de f x , y sujeitos à restrição g x , y = k (supondo que esses valores extremos existam e que ∇ g ≠ 0 sobre a superfície g x , y = k ), então:

∇ f x , y = λ ⋅ ∇ g x , y

Esse λ é o nosso multiplicador de Lagrange!!!

Se ainda ficou confuso, é o seguinte: Primeiro vamos calcular os gradientes de f (ou seja, ∇ f ) e depois os de g (ou seja, ∇ g ).

Em seguida iremos calcular o valor de λ utilizando a equação que você acabou de ver. Com isso, aplicando na nossa restrição g encontraremos os valores de máximo e mínimo!!!

Feito isso, vamos comparar o resultado com o que a gente descobriu anteriormente sobre c .

Agora bora lá!! 😉

Passo 2

Bom... primeiramente vamos plotar a circunferência x 2 + y 2 = 1 :

Agora vamos selecionar alguns valores de c e plotar seu gráfico em seguida:

  • Para c = 1 , temos:
  • x 2 + y = 1 ∴

    y = 1 - x 2

  • Para c = - 1 , temos:
  • x 2 + y = - 1 ∴

    y = - 1 - x 2

  • Para c = 1 , 25 , temos:

x 2 + y = 1 , 25 ∴

y = 1 , 25 - x 2

Plotando essas funções junto com a circunferência que plotamos anteriormente, teremos:

Note que esses valores de c parecem dar curvas que são tangentes ao círculo.

Dessa forma, podemos perceber que esses valores representam possíveis valores extremos da função!!

Agora vamos para a segunda parte da nossa questão!!

Passo 3

Vamos então tirar os gradientes das nossas funções!

Primeiro vamos para a função f :

f x , y = x 2 + y

Para calcular o gradiente ∇ f , basta aplicarmos as derivadas parciais!!

Derivando em relação a x aplicando a Regra da Potência, temos:

f x = ∂ ∂ x   x 2 + y ∴

f x = 2 x

Derivando em relação a y :

f y = ∂ ∂ y   x 2 + y ∴

f y = 1

Assim, nosso gradiente é:

∇ f = 2 x ,   1

Passo 4

Agora vamos para a função g :

g x , y = x 2 + y 2

Derivando com relação a x , obtemos:

g x = ∂ ∂ x   x 2 + y 2 ∴

g x = 2 x

Derivando em relação a y :

g y = ∂ ∂ y   x 2 + y 2 ∴

g y = 2 y

Assim, nosso gradiente é:

∇ g = 2 x , 2 y

Passo 5

Beleza, temos nossos gradientes, agora vamos encontrar um λ que satisfaça a equação.

Para isso, basta aplicarmos os gradientes que encontramos no passo anterior na equação que apresentamos no Passo 1:

∇ f x , y = λ ⋅ ∇ g x , y ∴

2 x ,   1 = λ ⋅ 2 x , 2 y

Daí, vamos tirar que:

2 x = λ ⋅ 2 x 1 = λ ⋅ 2 y

Da primeira equação, temos:

2 x = λ ⋅ 2 x ∴

λ = 2 x 2 x

Daqui podemos perceber dois possíveis resultados: Ou λ = 1 ou x = 0 .

Vamos analisar cada caso?? 😉

Passo 6

Primeiro vamos analisar o que acontece quando λ = 1 .

Substituindo esse valor na segunda equação do sistema, obtemos:

1 = λ ⋅ 2 y ∴

1 = 1 ⋅ 2 y ∴

y = 1 2

E, com isso, aplicando esse valor na nossa restrição g , obtemos:

x 2 + y 2 = 1 ∴

x 2 + 1 2 2 = 1 ∴

x = ± 3 2

Passo 7

Agora, analisando o caso em que x = 0 , ao aplicar na equação da nossa restrição, obteremos:

x 2 + y 2 = 1 ∴

0 2 + y 2 = 1 ∴

y = ± 1

Assim, de acordo com os Passos 6 e 7 , temos os possíveis pontos extremos:

± 3 2 , 1 2

E

0 , ± 1

Agora vamos aplicar eles em f !!

Passo 8

Aplicando o ponto ± 3 2 , 1 2 em f , obteremos:

f x , y = x 2 + y ∴

f ± 3 2 , 1 2 = ± 3 2 2 + 1 2 ∴

f ± 3 2 , 1 2 = 3 4 + 1 2 ∴

f ± 3 2 , 1 2 = 1,25

Aplicando o ponto 0,1 em f , teremos:

f x , y = x 2 + y ∴

f 0,1 = 0 2 + 1 ∴

f 0,1 = 1

E, aplicando o ponto 0 , - 1 em f , teremos:

f x , y = x 2 + y ∴

f 0 , - 1 = 0 2 - 1 ∴

f 0 , - 1 = - 1

Com isso, podemos concluir que teremos o ponto de máximo em:

f ± 3 2 , 1 2 = 1,25

E ponto de mínimo em:

f 0 , - 1 = - 1

Exatamente o que vimos na primeira parte da questão!! 😉

Prontinho! Conseguimos!

Resposta

(a)

Os valores representam possíveis valores extremos da função.

(b)

Ponto de máximo em:

f ± 3 2 , 1 2 = 1,25

E ponto de mínimo em:

f 0 , - 1 = - 1

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