Enunciado

Determine os valores máximo e mínimo absolutos de f no conjunto D .

f x , y = x 2 + y 2 - 2 x , D é a região triangular fechada com vértices ( 2 ,   0 ) , ( 0 ,   2 ) e ( 0 ,   - 2 ) .

Passo 1

O problema pede para encontrarmos os extremos absolutos de f no conjunto D . Como f x , y = x 2 + y 2 - 2 x é contínua e D é fechado e limitado, o teorema do valor extremo garante que a função tem máximo e mínimo global nesse conjunto!

Os candidatos a extremos globais serão os pontos críticos de f no interior de D junto com os valores extremos de f na fronteira de D .

Neste caso, D é o triangulo desenhado a seguir:

E dessa forma a gente pode definir a fronteira três segmentos de reta

a : y = 2 - x ,       x ∈ [ 0 ,   2 ]

b : x = 0 ,     y ∈ [ - 2 ,   2 ]

c : y = x - 2 ,           x ∈ [ 0 ,   2 ]

Dessa forma a gente so precisa encontrar os pontos críticos dessa função que estejam dentro da fronteira, bem como analisar os demais pontos contidos nela!

Passo 2

Para encontrar os pontos críticos precisamos encontras as derivadas f x e f y primeiramente, de forma que

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

Derivando em x , y fica constante:

f x = 2 x - 2

f y = 2 y

Dessa forma, como os pontos críticos são pontos onde f x = f y = 0 , temos o seguinte

f x = 2 x - 2 = 0

x = 1

E ainda

f y = 2 y = 0

y = 0

Assim, o único ponto crítico de f é ( 1 ,   0 ) . Note que esse ponto está no interior de D . Ele é um dos candidatos a extremos absoluto!

Passo 3

Agora vamos olhar para a fronteira de D . Primeiro para ( a ) , em que y = 2 - x . Substituindo essa relação na expressão para f ( x , y ) , obtemos uma função de uma variável apenas:

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

g x = f x ,   2 - x

g x = x 2 + 2 - x 2 - 2 x

Ou ainda

g x = 2 x 2 - 6 x + 4

Sabemos que g está restrita ao intervalo x ∈ [ 0 ,   2 ] . Um possível candidato a extremo dessa função é obtido fazendo g ' x = 0 :

g ' x = 4 x - 6 = 0

x = 3 2

Assim, substituindo esse valor de x na expressão de y que tínhamos definido, descobrimos um novo candidato a extremo de f : o ponto 3 2 , 1 2 .

Passo 4

Agora vamos repetir o processo para as demais partes da fronteira! Para a parte ( b ) temos que x = 0 , de modo que

g y = f 0 ,   y = y 2

Assim, g ' y = 0 implica

y = 0

Portanto, o candidato aqui é o ponto

( 0 ,   0 )

Passo 5

Por fim, na fronteira ( c ) com y = x - 2 :

g x = f x ,   x - 2

g x = x 2 + x - 2 2 - 2 x

g x = 2 x 2 - 6 x + 4

Que é a mesma expressão de antes, logo o ponto crítico é x = 3 / 2 e o candidato a extremo de f é 3 2 ,   - 1 2 .

Já temos então quatro candidatos a extremos absolutos de f . Mas ainda falta considerar os extremos das fronteiras: as pontas do triângulo! Assim, todos os candidatos a extremos globais são:

1 ,   0 ,     3 2 , 1 2 ,               3 2 , - 1 2 ,               0 ,   0 ,               2 ,   0 ,             0 ,   2               e                 ( 0 ,   - 2 )

Passo 6

O que temos que fazer agora é avaliar o valor da função em cada um desses pontos, dessa forma a gente o maior valor que encontrarmos será o ponto de máximo e analogamente também teremos o ponto de mínimo!

Temos

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

De forma que

f 1 ,   0 = - 1

f 3 2 , 1 2 = - 1 2

f 3 2 ,   - 1 2 = - 1 2

f 0 ,   0 = 0

f 2 ,   0 = 0

f 0 ,   2 = 4

f 0   , - 2 = 4

Desta forma, o mínimo absoluto ocorre em ( 1 ,   0 ) enquanto o máximo ocorre em ( 0 ,   2 ) e ( 0 ,   - 2 ) .

Resposta

Mínimo absoluto

f 1 ,   0 = - 1

Máximo absoluto

f 0 ,   2 = f 0 ,   - 2 = 4

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