Máximos y Mínimos de Funciones de Varias Variables

Angel Carrillo Hoyo, Elena de Oteyza de Oteyza\(^2\), Carlos Hernández Garciadiego\(^1\), Emma Lam Osnaya\(^2\)

\(^1\) Instituto de Matemáticas, UNAM; \(^2\) Facultad de Ciencias, UNAM


Ejemplo 15

¿En qué punto de la elipse \(\dfrac{x^{2}}{16}+ \dfrac{y^{2}}{9}=1\) la tangente a ésta, forma con los ejes coordenados un triángulo de área mínima?

Solución:

La ecuación de la tangente a la elipse \(\dfrac{x^{2}}{16}+\dfrac{y^{2}}{9 }=1\) en el punto \(P\left( x_{1},y_{1}\right) \) es \begin{equation*} \dfrac{x_{1}x}{16}+\dfrac{y_{1}y}{9}=1. \end{equation*} Encontramos la intersección de esta recta tangente con los ejes coordenados.

Hay cuatro posibles triángulos formados por la recta tangente y los ejes coordenados, uno en cada cuadrante del plano. Cada uno de ellos es un triángulo rectángulo, cuyos catetos miden \(\dfrac{16}{ \left\vert x_{1}\right\vert }\) y \(\dfrac{9}{\left\vert y_{1}\right\vert }.\)

El área del triángulo que buscamos es \begin{equation*} A=\dfrac{1}{2}bh \end{equation*} y en este caso la base y la altura del triángulo corresponden a los catetos, entonces \begin{equation*} A=\dfrac{1}{2}\left( \dfrac{16}{\left\vert x_{1}\right\vert }\right) \dfrac{9 }{\left\vert y_{1}\right\vert }=\dfrac{72}{\left\vert x_{1}y_{1}\right\vert } . \end{equation*} Así consideramos la función \begin{equation*} f\left( x,y\right) =\dfrac{72}{\left\vert xy\right\vert } \end{equation*} y la restricción \begin{equation*} \dfrac{x^{2}}{16}+\dfrac{y^{2}}{9}-1=0. \end{equation*}

  1. Supongamos que \(x\) y \(y\) tienen el mismo signo, en ese caso: \begin{equation*} f\left( x,y\right) =\dfrac{72}{xy}. \end{equation*} Calculamos los gradientes de \(f\) y \(g\): \begin{eqnarray*} \nabla f\left( x,y,z\right) & = & \left( \dfrac{\partial f}{\partial x},\dfrac{ \partial f}{\partial y}\right) =\left( -\dfrac{72}{x^{2}y},-\dfrac{72}{xy^{2} }\right) \\ \nabla g\left( x,y,z\right) & = & \left( \dfrac{\partial g}{\partial x},\dfrac{ \partial g}{\partial y}\right) =\left( \dfrac{x}{8},\dfrac{2}{9}y\right) . \end{eqnarray*} De acuerdo con el método de Lagrange, debemos resolver el sistema de ecuaciones \begin{eqnarray*} \nabla f\left( x,y\right) & = & \lambda \nabla g\left( x,y\right) \\ \dfrac{x^{2}}{16}+\dfrac{y^{2}}{9} & = & 1, \end{eqnarray*} es decir \begin{eqnarray} -\dfrac{72}{x^{2}y} & = & \dfrac{1}{8}x\lambda \label{15.0}\tag{1} \\ -\dfrac{72}{xy^{2}} & = & \dfrac{2}{9}y\lambda \notag \\ \dfrac{x^{2}}{16}+\dfrac{y^{2}}{9} & = & 1. \notag \end{eqnarray} Considerando las dos primeras ecuaciones del sistema anterior, tenemos \begin{eqnarray*} -72 & = & \dfrac{x^{3}y}{8}\lambda \\ -72 & = & \dfrac{2}{9}xy^{3}\lambda , \end{eqnarray*} de donde \begin{eqnarray*} \dfrac{x^{3}y}{8}\lambda & = & \dfrac{2}{9}xy^{3}\lambda \\ \dfrac{x^{3}y}{8}\lambda -\dfrac{2}{9}xy^{3}\lambda & = & 0 \\ xy\lambda \left( \dfrac{x^{2}}{8}-\dfrac{2}{9}y^{2}\right) & = & 0. \end{eqnarray*} Como \(x,y,\lambda \neq 0,\) entonces \begin{eqnarray*} \dfrac{x^{2}}{8}-\dfrac{2}{9}y^{2} & = & 0 \\ \left( \dfrac{x}{\sqrt{8}}-\dfrac{\sqrt{2}}{3}y\right) \left( \dfrac{x}{ \sqrt{8}}+\dfrac{\sqrt{2}}{3}y\right) & = & 0, \end{eqnarray*} de donde \begin{equation*} \dfrac{x}{\sqrt{8}}-\dfrac{\sqrt{2}}{3}y=0 \quad \quad \quad \text{o} \quad \quad \quad \dfrac{x}{\sqrt{8}}+\dfrac{\sqrt{2}}{3}y=0. \end{equation*} Ahora sustituimos los valores obtenidos de \(y\) en la restricción.

    En resumen las soluciones del sistema (\ref{15.0}) son \begin{eqnarray*} x & = & 2\sqrt{2}, \quad \quad y=\dfrac{3}{2}\sqrt{2}, \quad \quad \lambda =-12 \\ x & = & -2\sqrt{2}, \quad \quad y=-\dfrac{3}{2}\sqrt{2}, \quad \quad \lambda =-12. \end{eqnarray*} Definimos la función auxiliar \begin{eqnarray*} h\left( x,y\right) & = & f\left( x,y\right) -\lambda g\left( x,y\right) \\ & = & \dfrac{72}{xy}-\lambda \left( \dfrac{x^{2}}{16}+\dfrac{y^{2}}{9}-1\right) . \end{eqnarray*} Calculamos las derivadas de \(h\) de orden \(1\). \begin{eqnarray*} \dfrac{\partial h }{\partial x}\left( x,y\right) & = & -\dfrac{72}{x^{2}y} -\lambda \dfrac{x}{8} \\ \dfrac{\partial h }{\partial y}\left( x,y\right) & = & -\dfrac{72}{xy^{2}} -\lambda \dfrac{2}{9}y. \end{eqnarray*} Las derivadas parciales de \(h\) de orden \(2\) son: \begin{eqnarray*} \dfrac{\partial ^{2}h }{\partial x^{2}}\left( x,y\right) & = & \dfrac{72\left( 2\right) }{x^{3}y}-\dfrac{1}{8}\lambda =\dfrac{144}{x^{3}y}-\dfrac{1}{8} \lambda \\ \dfrac{\partial ^{2}h }{\partial y^{2}}\left( x,y\right) & = & \dfrac{72\left( 2\right) }{xy^{3}}-\dfrac{2}{9}\lambda =\dfrac{144}{xy^{3}}-\dfrac{2}{9} \lambda \\ \dfrac{\partial ^{2}h }{\partial y\partial x}\left( x,y\right) & = & \dfrac{72}{ x^{2}y^{2}}=\dfrac{\partial ^{2}h\left( x,y\right) }{\partial x\partial y} \end{eqnarray*} El determinante hessiano limitado es \begin{eqnarray*} \left\vert \overline{H}\left( x,y\right) \right\vert & = & \left\vert \begin{array}{ccc} 0 & \dfrac{\partial g}{\partial x}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial g}{ \partial y}\left( x,y\right) \\ & & \\ \dfrac{\partial g}{\partial x}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial ^{2}h}{ \partial x^{2}}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial ^{2}h}{\partial y\partial x}\left( x,y\right) \\ & & \\ \dfrac{\partial g}{\partial y}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial ^{2}h}{ \partial x\partial y}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial ^{2}h}{\partial y^{2}}\left( x,y\right) \end{array} \right\vert \\ & = & \left\vert \begin{array}{ccc} 0 & \dfrac{x}{8} & \dfrac{2}{9}y \\ & & \\ \dfrac{x}{8} & \dfrac{144}{x^{3}y}-\dfrac{1}{8}\lambda & \dfrac{72}{ x^{2}y^{2}} \\ & & \\ \dfrac{2}{9}y & \dfrac{72}{x^{2}y^{2}} & \dfrac{144}{xy^{3}}-\dfrac{2}{9} \lambda \end{array} \right\vert \end{eqnarray*}

  2. Si \(x\) y \(y\) tienen signos distintos, entonces \begin{equation*} f\left( x,y\right) =-\dfrac{72}{xy}. \end{equation*} Calculamos los gradientes de \(f\) y \(g\): \begin{eqnarray*} \nabla f\left( x,y,z\right) & = & \left( \dfrac{\partial f}{\partial x},\dfrac{ \partial f}{\partial y}\right) =\left( \dfrac{72}{x^{2}y},\dfrac{72}{xy^{2}} \right) \\ \nabla g\left( x,y,z\right) & = & \left( \dfrac{\partial g}{\partial x},\dfrac{ \partial g}{\partial y}\right) =\left( \dfrac{x}{8},\dfrac{2}{9}y\right) . \end{eqnarray*} De acuerdo con el método de Lagrange, debemos resolver el sistema de ecuaciones \begin{eqnarray*} \nabla f\left( x,y\right) & = & \lambda \nabla g\left( x,y\right) \\ \dfrac{x^{2}}{16}+\dfrac{y^{2}}{9} & = & 1. \end{eqnarray*} es decir \begin{eqnarray} \dfrac{72}{x^{2}y} & = & \dfrac{x}{8}\lambda \label{15.1}\tag{2} \\ \dfrac{72}{xy^{2}} & = & \dfrac{2}{9}y\lambda \notag \\ \dfrac{x^{2}}{16}+\dfrac{y^{2}}{9} & = & 1. \notag \end{eqnarray} Considerando las dos primeras ecuaciones del sistema anterior, tenemos \begin{eqnarray*} 72 & = & \dfrac{x^{3}y}{8}\lambda \\ 72 & = & \dfrac{2}{9}xy^{3}\lambda , \end{eqnarray*} de donde \begin{eqnarray*} \dfrac{x^{3}y}{8}\lambda & = & \dfrac{2}{9}xy^{3}\lambda \\ \dfrac{x^{3}y}{8}\lambda -\dfrac{2}{9}xy^{3}\lambda & = & 0 \\ xy\lambda \left( \dfrac{x^{2}}{8}-\dfrac{2}{9}y^{2}\right) & = & 0. \end{eqnarray*} Como \(x,y,\lambda \neq 0,\) entonces \begin{eqnarray*} \dfrac{x^{2}}{8}-\dfrac{2}{9}y^{2} & = & 0 \\ \left( \dfrac{x}{\sqrt{8}}-\dfrac{\sqrt{2}}{3}y\right) \left( \dfrac{x}{ \sqrt{8}}+\dfrac{\sqrt{2}}{3}y\right) & = & 0 \end{eqnarray*} de donde \begin{equation*} \dfrac{x}{\sqrt{8}}-\dfrac{\sqrt{2}}{3}y=0 \quad \quad \quad \text{o } \quad \quad \quad \dfrac{x}{\sqrt{8}}+\dfrac{\sqrt{2}}{3}y=0. \end{equation*} Ahora sustituimos los valores obtenidos de \(y\) en la restricción. En resumen, las soluciones del sistema (\ref{15.1}) son \begin{eqnarray*} x & = & -2\sqrt{2}, \quad \quad y=\dfrac{3}{2}\sqrt{2}, \quad \quad \lambda =-12 \\ x & = & 2\sqrt{2}, \quad \quad y=-\dfrac{3}{2}\sqrt{2}, \quad \quad \lambda =-12. \end{eqnarray*} Definimos la función auxiliar \begin{eqnarray*} h\left( x,y\right) & = & f\left( x,y\right) -\lambda g\left( x,y\right) \\ & = & -\dfrac{72}{xy}-\lambda \left( \dfrac{x^{2}}{16}+\dfrac{y^{2}}{9} -1\right) . \end{eqnarray*} Calculamos las derivadas de \(h\) de orden \(1\). \begin{eqnarray*} \dfrac{\partial h }{\partial x}\left( x,y\right) & = & \dfrac{72}{x^{2}y} -\lambda \dfrac{x}{8} \\ \dfrac{\partial h }{\partial y}\left( x,y\right) & = & \dfrac{72}{xy^{2}} -\lambda \dfrac{2}{9}y. \end{eqnarray*} Las derivadas parciales de \(h\) de orden \(2\) son: \begin{eqnarray*} \dfrac{\partial ^{2}h }{\partial x^{2}}\left( x,y\right) & = & -\dfrac{72\left( 2\right) }{x^{3}y}-\dfrac{1}{8}\lambda =-\dfrac{144}{x^{3}y}-\dfrac{1}{8} \lambda \\ \dfrac{\partial ^{2}h }{\partial y^{2}}\left( x,y\right) & = & -\dfrac{72\left( 2\right) }{xy^{3}}-\dfrac{2}{9}\lambda =-\dfrac{144}{xy^{3}}-\dfrac{2}{9} \lambda \\ \dfrac{\partial ^{2}h }{\partial y\partial x}\left( x,y\right) & = & -\dfrac{72 }{x^{2}y^{2}}=\dfrac{\partial ^{2}h\left( x,y\right) }{\partial x\partial y}. \end{eqnarray*} El determinante hessiano limitado es \begin{eqnarray*} \left\vert \overline{H}\left( x,y\right) \right\vert & = & \left\vert \begin{array}{ccc} 0 & \dfrac{\partial g}{\partial x}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial g}{ \partial y}\left( x,y\right) \\ & & \\ \dfrac{\partial g}{\partial x}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial ^{2}h}{ \partial x^{2}}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial ^{2}h}{\partial y\partial x}\left( x,y\right) \\ & & \\ \dfrac{\partial g}{\partial y}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial ^{2}h}{ \partial x\partial y}\left( x,y\right) & \dfrac{\partial ^{2}h}{\partial y^{2}}\left( x,y\right) \end{array} \right\vert \\ \\ & = & \left\vert \begin{array}{ccc} 0 & \dfrac{x}{8} & \dfrac{2}{9}y \\ & & \\ \dfrac{x}{8} & -\dfrac{144}{x^{3}y}-\dfrac{1}{8}\lambda & -\dfrac{72}{ x^{2}y^{2}} \\ & & \\ \dfrac{2}{9}y & -\dfrac{72}{x^{2}y^{2}} & -\dfrac{144}{xy^{3}}-\dfrac{2}{9} \lambda \end{array} \right\vert \end{eqnarray*}
Hay cuatro puntos: \(\left( 2\sqrt{2},\dfrac{3}{2}\sqrt{2}\right) ,\left( -2 \sqrt{2},-\dfrac{3}{2}\sqrt{2}\right) ,\left( -2\sqrt{2},\dfrac{3}{2}\sqrt{2} \right) \) y \(\left( 2\sqrt{2},-\dfrac{3}{2}\sqrt{2}\right) \) de la elipse \(\dfrac{x^{2}}{16}+\dfrac{y^{2}}{9}=1\) en que las tangentes en ellos forman con los ejes coordenados triángulos de área mínima.