Enunciado

Utilize os multiplicadores de Lagrange para determinar os valores máximo e mínimo da função sujeita à(s) restrição(ões) dada(s).

f x ,   y = 4 x + 6 y

x 2 + y 2 = 13

Passo 1

Opa, tudo tranquilo? Questãozinha de multiplicador de Lagrange, vamos lá!

A questão nos dá a função f x ,   y = 4 x + 6 y e a restrição x 2 + y 2 = 13 , e em seguida nos pede para determinar o valor máximo e mínimo da função usando multiplicadores de Lagrange!

Mas como fazemos isso?

O método de Lagrange propõe que: Para determinar os valores máximo e mínimo de uma função f x , y sujeita à restrição g x , y = k nós podemos usar a seguinte fórmula

∇ f x , y = λ ⋅ ∇ g x , y

Onde λ é o nosso multiplicador de Lagrange!

Assim, definindo o gradiente (as derivadas parciais) da função e das restrições, nós podemos procurar por valores de x , y e λ que satisfaçam essa expressão!

Dessa forma, quando tivermos todos os pontos de interesse, o valor máximo e o mínimo serão, respectivamente, os pontos que tiverem maior e menor valor de f ( x , y ) !

Passo 2

A expressão que relaciona a função às restrições com os multiplicadores de Lagrange é

∇ f = λ ∇ g

Onde f x ,   y = 4 x + 6 y e g x , y = x 2 + y 2

Como o gradiente é o conjunto das derivadas parciais, então podemos reescrever isso como

( f x , f y )   = λ ( g x , g y )

Calculando essas derivadas parciais, encontramos

∂ f ∂ x = ∂ ∂ x 4 x + 6 y

f x = 4

∂ f ∂ y = ∂ ∂ y 4 x + 6 y

f y = 6

∂ g ∂ x = ∂ ∂ x x 2 + y 2

g x = 2 x

∂ g ∂ y = ∂ ∂ y x 2 + y 2

g y = 2 y

De forma que ficamos com o seguinte

( 4 ,   6 )   = λ ( 2 x ,   2 y )

Dessa expressão “matricial” obtemos o seguinte sistema de equações

4 =   2 λ x

6 =   2 λ y

E além disso, considerando a restrição também temos

x 2 + y 2 = 13

Agora precisamos analisar esse sistema de equações para obter os pontos de interesse e avaliar quem são o máximo e o mínimo da função!

Passo 3

Da primeira e segunda expressões já percebemos que

x ,   y ,   λ ≠ 0

Dessa forma, podemos reescrevê-las para a seguinte forma

x = 2 λ

y = 3 λ

De forma que podemos substituir esses valores na restrição

2 λ 2 + 3 λ 2 = 13

Obtendo

λ = ± 1

E se substituirmos os valores λ = 1 , e λ = - 1 nas expressões de x e y que encontramos, vamos ter os seguintes pontos de interesse

2 ,   3 ,     - 2 , - 3

Por fim, testando o valor de f nesses pontos temos

f 2   , 3 = 4 ⋅ 2 + 6 ⋅ 3

f 2 ,   3 = 26

f - 2 , - 3 = - 4 ⋅ 2 - 6 ⋅ 3

f - 2 , - 3 = - 26

Ou seja, f 2   , 3 é o máximo e f - 2 , - 3 = - 26 é o mínimo.

Resposta

f 2   , 3 = 26 é o máximo e f - 2 , - 3 = - 26 é o mínimo.

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