関数 $f(x, y)$ を条件 $g(x, y) = 0$ のもとで、ラグランジュの未定乗数法を用いて最大値と最小値を求める問題です。具体的には、以下の6つのケースについて解きます。 1) $f(x, y) = x + y, \quad g(x, y) = x^2 + y^2 - 1$ 2) $f(x, y) = 2x + y, \quad g(x, y) = x^2 + y^2 - 1$ 3) $f(x, y) = xy, \quad g(x, y) = x^2 + y^2 - 1$ 4) $f(x, y) = \frac{x}{2} + y, \quad g(x, y) = (\frac{x}{2})^2 + y^2 - 1$ 5) $f(x, y) = x + y, \quad g(x, y) = (\frac{x}{2})^2 + y^2 - 1$ 6) $f(x, y) = \frac{xy}{2}, \quad g(x, y) = (\frac{x}{2})^2 + y^2 - 1$

解析学ラグランジュの未定乗数法最大値最小値偏微分極値
2025/5/31

1. 問題の内容

関数 f(x,y)f(x, y) を条件 g(x,y)=0g(x, y) = 0 のもとで、ラグランジュの未定乗数法を用いて最大値と最小値を求める問題です。具体的には、以下の6つのケースについて解きます。
1) f(x,y)=x+y,g(x,y)=x2+y21f(x, y) = x + y, \quad g(x, y) = x^2 + y^2 - 1
2) f(x,y)=2x+y,g(x,y)=x2+y21f(x, y) = 2x + y, \quad g(x, y) = x^2 + y^2 - 1
3) f(x,y)=xy,g(x,y)=x2+y21f(x, y) = xy, \quad g(x, y) = x^2 + y^2 - 1
4) f(x,y)=x2+y,g(x,y)=(x2)2+y21f(x, y) = \frac{x}{2} + y, \quad g(x, y) = (\frac{x}{2})^2 + y^2 - 1
5) f(x,y)=x+y,g(x,y)=(x2)2+y21f(x, y) = x + y, \quad g(x, y) = (\frac{x}{2})^2 + y^2 - 1
6) f(x,y)=xy2,g(x,y)=(x2)2+y21f(x, y) = \frac{xy}{2}, \quad g(x, y) = (\frac{x}{2})^2 + y^2 - 1

2. 解き方の手順

ラグランジュの未定乗数法では、ラグランジアン L(x,y,λ)=f(x,y)λg(x,y)L(x, y, \lambda) = f(x, y) - \lambda g(x, y) を定義し、その偏微分がすべて0になる点を求めます。
Lx=0\frac{\partial L}{\partial x} = 0
Ly=0\frac{\partial L}{\partial y} = 0
Lλ=g(x,y)=0\frac{\partial L}{\partial \lambda} = -g(x, y) = 0
これらの連立方程式を解き、x,y,λx, y, \lambda を求めます。求めた x,yx, yf(x,y)f(x, y) に代入することで、極値を求めます。極値の中から最大値と最小値を決定します。
**ケース1)**
f(x,y)=x+y,g(x,y)=x2+y21f(x, y) = x + y, \quad g(x, y) = x^2 + y^2 - 1
L(x,y,λ)=x+yλ(x2+y21)L(x, y, \lambda) = x + y - \lambda(x^2 + y^2 - 1)
Lx=12λx=0\frac{\partial L}{\partial x} = 1 - 2\lambda x = 0
Ly=12λy=0\frac{\partial L}{\partial y} = 1 - 2\lambda y = 0
Lλ=(x2+y21)=0\frac{\partial L}{\partial \lambda} = -(x^2 + y^2 - 1) = 0
x=y=12λx = y = \frac{1}{2\lambda}
x2+y2=1    2x2=1    x=±12x^2 + y^2 = 1 \implies 2x^2 = 1 \implies x = \pm \frac{1}{\sqrt{2}}
したがって、x=y=12x = y = \frac{1}{\sqrt{2}} または x=y=12x = y = -\frac{1}{\sqrt{2}}
f(12,12)=22=2f(\frac{1}{\sqrt{2}}, \frac{1}{\sqrt{2}}) = \frac{2}{\sqrt{2}} = \sqrt{2}
f(12,12)=22=2f(-\frac{1}{\sqrt{2}}, -\frac{1}{\sqrt{2}}) = -\frac{2}{\sqrt{2}} = -\sqrt{2}
**ケース2)**
f(x,y)=2x+y,g(x,y)=x2+y21f(x, y) = 2x + y, \quad g(x, y) = x^2 + y^2 - 1
L(x,y,λ)=2x+yλ(x2+y21)L(x, y, \lambda) = 2x + y - \lambda(x^2 + y^2 - 1)
Lx=22λx=0\frac{\partial L}{\partial x} = 2 - 2\lambda x = 0
Ly=12λy=0\frac{\partial L}{\partial y} = 1 - 2\lambda y = 0
Lλ=(x2+y21)=0\frac{\partial L}{\partial \lambda} = -(x^2 + y^2 - 1) = 0
x=1λ,y=12λx = \frac{1}{\lambda}, y = \frac{1}{2\lambda}
x2+y2=1    1λ2+14λ2=1    54λ2=1    λ=±52x^2 + y^2 = 1 \implies \frac{1}{\lambda^2} + \frac{1}{4\lambda^2} = 1 \implies \frac{5}{4\lambda^2} = 1 \implies \lambda = \pm \frac{\sqrt{5}}{2}
x=±25,y=±15x = \pm \frac{2}{\sqrt{5}}, y = \pm \frac{1}{\sqrt{5}} (複号同順)
f(25,15)=55=5f(\frac{2}{\sqrt{5}}, \frac{1}{\sqrt{5}}) = \frac{5}{\sqrt{5}} = \sqrt{5}
f(25,15)=55=5f(-\frac{2}{\sqrt{5}}, -\frac{1}{\sqrt{5}}) = -\frac{5}{\sqrt{5}} = -\sqrt{5}
**ケース3)**
f(x,y)=xy,g(x,y)=x2+y21f(x, y) = xy, \quad g(x, y) = x^2 + y^2 - 1
L(x,y,λ)=xyλ(x2+y21)L(x, y, \lambda) = xy - \lambda(x^2 + y^2 - 1)
Lx=y2λx=0\frac{\partial L}{\partial x} = y - 2\lambda x = 0
Ly=x2λy=0\frac{\partial L}{\partial y} = x - 2\lambda y = 0
Lλ=(x2+y21)=0\frac{\partial L}{\partial \lambda} = -(x^2 + y^2 - 1) = 0
y=2λx,x=2λy    x=4λ2xy = 2\lambda x, x = 2\lambda y \implies x = 4\lambda^2 x
x=0x=0 or 4λ2=1    λ=±124\lambda^2 = 1 \implies \lambda = \pm \frac{1}{2}
If x=0x = 0, y=0y = 0, but x2+y2=1x^2 + y^2 = 1.
If λ=12,y=x\lambda = \frac{1}{2}, y = x, so x2+x2=1    x=±12x^2 + x^2 = 1 \implies x = \pm \frac{1}{\sqrt{2}}. y=xy=x.
If λ=12,y=x\lambda = -\frac{1}{2}, y = -x, so x2+(x)2=1    x=±12x^2 + (-x)^2 = 1 \implies x = \pm \frac{1}{\sqrt{2}}. y=xy=-x.
(12,12),f=12(\frac{1}{\sqrt{2}}, \frac{1}{\sqrt{2}}), f=\frac{1}{2}
(12,12),f=12(-\frac{1}{\sqrt{2}}, -\frac{1}{\sqrt{2}}), f=\frac{1}{2}
(12,12),f=12(\frac{1}{\sqrt{2}}, -\frac{1}{\sqrt{2}}), f=-\frac{1}{2}
(12,12),f=12(-\frac{1}{\sqrt{2}}, \frac{1}{\sqrt{2}}), f=-\frac{1}{2}
**ケース4)**
f(x,y)=x2+y,g(x,y)=(x2)2+y21f(x, y) = \frac{x}{2} + y, \quad g(x, y) = (\frac{x}{2})^2 + y^2 - 1
L(x,y,λ)=x2+yλ(x24+y21)L(x, y, \lambda) = \frac{x}{2} + y - \lambda(\frac{x^2}{4} + y^2 - 1)
Lx=12λx2=0\frac{\partial L}{\partial x} = \frac{1}{2} - \frac{\lambda x}{2} = 0
Ly=12λy=0\frac{\partial L}{\partial y} = 1 - 2\lambda y = 0
Lλ=(x24+y21)=0\frac{\partial L}{\partial \lambda} = -(\frac{x^2}{4} + y^2 - 1) = 0
x=1λ,y=12λx = \frac{1}{\lambda}, y = \frac{1}{2\lambda}
14λ2+14λ2=1    24λ2=1    λ=±12\frac{1}{4\lambda^2} + \frac{1}{4\lambda^2} = 1 \implies \frac{2}{4\lambda^2} = 1 \implies \lambda = \pm \frac{1}{\sqrt{2}}
x=±2,y=±22x = \pm \sqrt{2}, y = \pm \frac{\sqrt{2}}{2} (複号同順)
f(2,22)=22+22=2f(\sqrt{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}) = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} = \sqrt{2}
f(2,22)=2f(-\sqrt{2}, -\frac{\sqrt{2}}{2}) = -\sqrt{2}
**ケース5)**
f(x,y)=x+y,g(x,y)=(x2)2+y21f(x, y) = x + y, \quad g(x, y) = (\frac{x}{2})^2 + y^2 - 1
L(x,y,λ)=x+yλ(x24+y21)L(x, y, \lambda) = x + y - \lambda(\frac{x^2}{4} + y^2 - 1)
Lx=1λx2=0\frac{\partial L}{\partial x} = 1 - \frac{\lambda x}{2} = 0
Ly=12λy=0\frac{\partial L}{\partial y} = 1 - 2\lambda y = 0
Lλ=(x24+y21)=0\frac{\partial L}{\partial \lambda} = -(\frac{x^2}{4} + y^2 - 1) = 0
x=2λ,y=12λx = \frac{2}{\lambda}, y = \frac{1}{2\lambda}
1λ2+14λ2=1    54λ2=1    λ=±52\frac{1}{\lambda^2} + \frac{1}{4\lambda^2} = 1 \implies \frac{5}{4\lambda^2} = 1 \implies \lambda = \pm \frac{\sqrt{5}}{2}
x=±45,y=±15x = \pm \frac{4}{\sqrt{5}}, y = \pm \frac{1}{\sqrt{5}} (複号同順)
f(45,15)=55=5f(\frac{4}{\sqrt{5}}, \frac{1}{\sqrt{5}}) = \frac{5}{\sqrt{5}} = \sqrt{5}
f(45,15)=55=5f(-\frac{4}{\sqrt{5}}, -\frac{1}{\sqrt{5}}) = -\frac{5}{\sqrt{5}} = -\sqrt{5}
**ケース6)**
f(x,y)=xy2,g(x,y)=(x2)2+y21f(x, y) = \frac{xy}{2}, \quad g(x, y) = (\frac{x}{2})^2 + y^2 - 1
L(x,y,λ)=xy2λ(x24+y21)L(x, y, \lambda) = \frac{xy}{2} - \lambda(\frac{x^2}{4} + y^2 - 1)
Lx=y2λx2=0\frac{\partial L}{\partial x} = \frac{y}{2} - \frac{\lambda x}{2} = 0
Ly=x22λy=0\frac{\partial L}{\partial y} = \frac{x}{2} - 2\lambda y = 0
Lλ=(x24+y21)=0\frac{\partial L}{\partial \lambda} = -(\frac{x^2}{4} + y^2 - 1) = 0
y=λx,x=4λy    x=4λ2xy = \lambda x, x = 4\lambda y \implies x = 4\lambda^2 x
x=0x=0 or 4λ2=1    λ=±124\lambda^2 = 1 \implies \lambda = \pm \frac{1}{2}
If x=0x = 0, y=0y = 0, but this doesn't satisfy g(x,y)=0g(x,y)=0
If λ=12,y=x2\lambda = \frac{1}{2}, y = \frac{x}{2}, so x24+x24=1    x2=2    x=±2\frac{x^2}{4} + \frac{x^2}{4} = 1 \implies x^2 = 2 \implies x = \pm \sqrt{2}. y=±22y = \pm \frac{\sqrt{2}}{2}.
If λ=12,y=x2\lambda = -\frac{1}{2}, y = -\frac{x}{2}, so x24+x24=1    x2=2    x=±2\frac{x^2}{4} + \frac{x^2}{4} = 1 \implies x^2 = 2 \implies x = \pm \sqrt{2}. y=22y = \mp \frac{\sqrt{2}}{2}.
f(2,22)=12f(\sqrt{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}) = \frac{1}{2}
f(2,22)=12f(-\sqrt{2}, -\frac{\sqrt{2}}{2}) = \frac{1}{2}
f(2,22)=12f(\sqrt{2}, -\frac{\sqrt{2}}{2}) = -\frac{1}{2}
f(2,22)=12f(-\sqrt{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}) = -\frac{1}{2}

3. 最終的な答え

**ケース1)** 最大値: 2\sqrt{2}, 最小値: 2-\sqrt{2}
**ケース2)** 最大値: 5\sqrt{5}, 最小値: 5-\sqrt{5}
**ケース3)** 最大値: 12\frac{1}{2}, 最小値: 12-\frac{1}{2}
**ケース4)** 最大値: 2\sqrt{2}, 最小値: 2-\sqrt{2}
**ケース5)** 最大値: 5\sqrt{5}, 最小値: 5-\sqrt{5}
**ケース6)** 最大値: 12\frac{1}{2}, 最小値: 12-\frac{1}{2}

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