Q. 33

Question

In Exercises 31–52, find the relative maxima, relative minima, and saddle points for the given functions. Determine whether the function has an absolute maximum or absolute minimum as well. f(x,y)=x3+y312x3y+15

Step-by-Step Solution

Verified
Answer

The given function has a local minimum: f(2,1)=-3, a local maximum: f(-2,-1)=33 and saddle points: f(2,-1)=1, f(-2,1)=29

1Step 1. Given information

A function, f(x,y)=x3+y312x3y+15

2Step 2. Finding the first-order, second-order partial derivatives and determinant of hessian

The first-order partial derivatives of the function are:fx(x,y)=fx=3x2-12 and fy(x,y)=fy=3y2-3Now, solve the system of equations: 3x2-12=0 and 3y2-3=0, we get,x2=4 and y2=1x=±2 and y=±1We find the four stationary points of f, namely: (2,1), (2,-1), (-2,1),(-2,-1)The second-order partial derivatives of the function are:fxx(x,y)=2fx2=6x, fyy(x,y)=2fy2=6y and fxy(x,y)=2fxy=0fxx(2,1)=12, fyy(2,1)=6 and fxy(2,1)=0fxx(2,-1)=12, fyy(2,-1)=-6 and fxy(2,-1)=0fxx(-2,1)=-12, fyy(-2,1)=6 and fxy(-2,1)=0fxx(-2,-1)=-12, fyy(-2,-1)=-6 and fxy(-2,-1)=0The determinant of the Hessian is:detHfx,y=2fx22fy2-2fxy2detHf2,1=12×6-0=72detHf2,-1=12×-6-0=-72detHf-2,1=-12×6-0=-72detHf-2,-1=-12×-6-0=72

3Step 3. Testing and finding relative maximum, relative minimum and saddle points

If f has a stationary point at (x0,y0), then (a)  f has a relative maximum at (x0,y0) if det(Hf(x0,y0))>0 with fxx(x0,y0)<0 or fyy(x0,y0)<0. (b) f has a relative minimum at (x0,y0) if det(Hf(x0,y0))>0 with fxx(x0,y0)>0 or fyy(x0,y0)>0. (c) f has a saddle point at (x0,y0) if det(Hf(x0,y0))<0. (d) If det(Hf(x0,y0))=0, no conclusion may be drawn about the behavior of f at (x0,y0).In the given function, detHf2,1=72>0 with fxx2,1=12>0 and fyy2,1=6>0.Hence, the given function has minimum at 2,1 with minimum value,f2,1=23+13-12(2)-3(1)+15=-3Also, detHf2,-1=-72<0. Hence, the given function has a saddle point at 2,-1with f(2,-1)=23+-13-12(2)-3(-1)+15=1Also, detHf-2,1=-72<0. Hence, the given function has a saddle point at -2,1with f(-2,1)= -23+13-12(-2)-3(1)+15=29Also, detHf-2,-1=72>0 with fxx-2,-1=-12<0 and fyy-2,-1=-6<0.Hence, the given function has maximum at -2,-1 with maximum value,f-2,-1=-23+-13-12(-2)-3(-1)+15=33

4Step 4. Testing and finding absolute maximum and absolute minimum

When x=0,limyf(0,y)= and limy-f(0,y)=- Therefore, the given function has local minimum at 2,1 and local maximum at (-2,-1)