Strona główna › Zagadnienia dodatkowe › Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych
Ekstrema lokalne funkcji dwóch zmiennych
W jednej zmiennej szukanie ekstremum jest proste: przyrównujemy pochodną do zera i sprawdzamy, czy zmienia znak. Przy dwóch zmiennych wykres przestaje być krzywą, a staje się powierzchnią — i pojawia się kształt, którego na krzywej nie ma: siodło. Punkt, w którym w jedną stronę jest minimum, a w drugą maksimum. Dlatego samo zerowanie pochodnych już nie wystarcza i potrzebny jest drugi test.
1Co się zmienia, gdy zmiennych są dwie
Zagadnienie dodatkowe — poza podstawą programową (SP/LO 2025)
Ten temat nie występuje w podstawie programowej obowiązującej od 2025 roku — ani w zakresie podstawowym, ani w rozszerzonym. Na maturze nie zostanie sprawdzony.
Podstawa mówi o rachunku różniczkowym wyłącznie dla funkcji jednej zmiennej. Materiał tej strony to pierwszy rok studiów technicznych i ekonomicznych.
Strona należy do działu Zagadnienia dodatkowe: materiał dla tych, którzy chcą wyjść poza program — na olimpiadę, na studia albo z ciekawości.
Funkcja jednej zmiennej ma wykres będący krzywą. Funkcja dwóch zmiennych przypisuje liczbę każdemu punktowi płaszczyzny, więc jej wykres jest powierzchnią w przestrzeni — czymś w rodzaju mapy terenu, gdzie to wysokość nad punktem .
Ta zmiana obrazu od razu tłumaczy, o co chodzi w ekstremach. Na mapie terenu:
- minimum lokalne to dno kotliny — idąc w dowolnym kierunku, wchodzisz pod górę,
- maksimum lokalne to szczyt wzgórza — w dowolnym kierunku schodzisz w dół,
- punkt siodłowy to przełęcz — wzdłuż grzbietu schodzisz w dół, a w poprzek wchodzisz pod górę.
Przełęcz jest tu nowością. W jednej zmiennej takiego punktu nie ma: idąc po krzywej, można iść tylko w dwie strony, więc albo w obu rośnie, albo w obu maleje, albo w jedną rośnie, a w drugą maleje (i wtedy to nie jest ekstremum, tylko przegięcie z poziomą styczną).
Na powierzchni kierunków jest nieskończenie wiele i pochodna zerująca się w dwóch z nich nic nie gwarantuje. Stąd cała trudność tego tematu i stąd potrzeba drugiego warunku, o którym niżej.
Warto to zestawić z tym, co ekstrema funkcji jednej zmiennej robią w liceum: tam warunek wystarczający to zmiana znaku pochodnej, czytana z tabeli zmienności. Tabeli zmienności dla powierzchni się nie da narysować — trzeba ją zastąpić rachunkiem.
2Pochodne cząstkowe — różniczkowanie po jednej zmiennej naraz
Pochodna cząstkowa to najprostszy pomysł, jaki można mieć: różniczkujemy po jednej zmiennej, a drugą traktujemy jak zwykłą liczbę. Zapisuje się to zakrzywionym zamiast .
Przykład na sucho: dla liczymy i patrzymy na jak na stałą, powiedzmy piątkę. Wtedy to „stała razy ”, czyli pochodna wynosi , a to sama stała, więc znika. Otrzymujemy .
Licząc , zamieniamy role: stałą jest teraz . Wyrażenie to „stała razy ”, więc pochodna to , a daje . Stąd .
Geometrycznie mówi, jak stromo teren wznosi się, gdy idziemy równolegle do osi , a — gdy idziemy równolegle do osi . To dwa z nieskończenie wielu możliwych kierunków i właśnie dlatego same nie wystarczą.
Do drugiego warunku potrzebne będą drugie pochodne cząstkowe: (różniczkujemy po dwa razy), (dwa razy po ) oraz mieszana (raz po , raz po ).
Kolejność w pochodnej mieszanej nie ma znaczenia
Dla funkcji, które spotyka się w zadaniach, zachodzi — najpierw po , potem po daje to samo, co odwrotnie.
To twierdzenie Schwarza i wymaga ciągłości drugich pochodnych; dla wielomianów, funkcji wykładniczych i trygonometrycznych warunek jest spełniony.
Praktyczny zysk: pochodną mieszaną liczy się raz, a nie dwa razy. Warto jednak policzyć ją obiema drogami przy pierwszych zadaniach — to darmowa kontrola rachunku.
3Warunek konieczny: punkt stacjonarny
Jeżeli funkcja ma w punkcie ekstremum lokalne i ma tam obie pochodne cząstkowe, to obie muszą się zerować.
Punkt spełniający oba równania nazywamy punktem stacjonarnym (albo krytycznym). Szukanie ekstremów zaczyna się więc od rozwiązania układu równań złożonego z tych dwóch warunków.
Sens jest ten sam co w jednej zmiennej: na szczycie i na dnie płaszczyzna styczna do powierzchni jest pozioma, a poziomość oznacza zerowe nachylenie w obu kierunkach osiowych.
Uwaga na słowo konieczny. Warunek działa tylko w jedną stronę: każde ekstremum jest punktem stacjonarnym, ale nie każdy punkt stacjonarny jest ekstremum. Kontrprzykład jest natychmiastowy — funkcja ma w zerze obie pochodne równe zeru, a ekstremum tam nie ma, bo to siodło.
W jednej zmiennej ta sama pułapka nazywa się „punkt przegięcia z poziomą styczną” i pokazuje ją funkcja w zerze. Różnica polega na tym, że w dwóch zmiennych przypadek bez ekstremum jest znacznie częstszy — i dlatego drugi test nie jest tu formalnością, tylko główną częścią zadania.
4Warunek wystarczający: wyznacznik hesjanu
Drugie pochodne układa się w macierz kwadratową zwaną hesjanem, a rozstrzyga jej wyznacznik — dokładnie ten sam, który liczy się wzorem .
Wartości liczymy w punkcie stacjonarnym i odczytujemy wynik z trzech przypadków:
- i → minimum lokalne (dno kotliny),
- i → maksimum lokalne (szczyt wzgórza),
- → punkt siodłowy, ekstremum nie ma,
- → kryterium nie rozstrzyga, trzeba badać inaczej.
Zwróć uwagę, że przy znak jest już przesądzony i taki sam jak — skoro iloczyn musi przewyższyć nieujemne , oba czynniki mają ten sam znak. Sprawdzanie to więc dobra kontrola rachunku, ale nie osobny warunek.
Skąd bierze się odjęcie
Człon mieszany mierzy, jak bardzo powierzchnia jest skręcona — jak zmienia się nachylenie w kierunku , gdy przesuwamy się wzdłuż .
Duże skręcenie potrafi zepsuć ekstremum nawet wtedy, gdy oba przekroje osiowe wyglądają jak minimum. Odjęcie jest właśnie karą za to skręcenie.
Dlatego sam warunek i nie wystarcza — bez sprawdzenia można ogłosić minimum tam, gdzie jest siodło.
Przypadek nie jest wymysłem teoretyków. Funkcja ma w zerze wyraźne minimum, a hesjan zerowy; funkcja ma w zerze hesjan również zerowy i żadnego ekstremum. Skoro dwa różne zachowania dają tę samą wartość , kryterium przy musi milczeć.
5Punkt siodłowy — kształt, którego krzywa mieć nie może
Najczystszym przykładem jest w punkcie , czyli powierzchnia zwana paraboloidą hiperboliczną — kształt chipsa albo siodła do jazdy konnej.
Idąc wzdłuż osi (czyli przy ), dostajemy , a to zwykła parabola z minimum w zerze. Idąc wzdłuż osi (przy ), dostajemy — parabola ramionami w dół, czyli maksimum w zerze.
Ten sam punkt jest więc najniższy w jednym kierunku i najwyższy w drugim. Żadna z definicji ekstremum nie jest spełniona, bo ekstremum wymaga, żeby wartość była największa albo najmniejsza we wszystkich kierunkach naraz.
Dlaczego na krzywej to niemożliwe: idąc po krzywej, mamy do dyspozycji tylko lewo i prawo. Nie da się być jednocześnie „najniżej w jednym kierunku i najwyżej w innym”, bo kierunki są tylko dwa i są przeciwne.
Praktyczny wniosek do zadań: gdy wyjdzie , nie szukaj błędu w rachunku. Ujemny hesjan to poprawna i pełna odpowiedź — w tym punkcie ekstremum nie ma i tak należy napisać.
Siodła nie są rzadkością ani ciekawostką. W optymalizacji ekonomicznej i w uczeniu maszynowym punkty siodłowe są liczniejsze od minimów i to one zatrzymują algorytmy szukające najmniejszej wartości.
6Przykłady krok po kroku
Cztery przypadki hesjanu w kolejności, w jakiej warto je zobaczyć: minimum, siodło, funkcja z dwoma punktami stacjonarnymi naraz i sytuacja, w której pochodna mieszana nie znika.
Przykład 1 Minimum lokalne
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji .
- Liczę pochodne cząstkowe. Przy składniki i są stałymi, więc znikają: . Przy znikają i : .
- Warunek konieczny to układ , a z niego i . Jedyny punkt stacjonarny to .
- Drugie pochodne: , , a pochodna mieszana , bo w nie ma już .
- Hesjan: . Mamy oraz , czyli minimum lokalne.
- Wartość: .
- Kontrola bez hesjanu: grupuję do postaci kanonicznej . Suma dwóch kwadratów jest najmniejsza, gdy oba są zerami — czyli w , i wynosi wtedy ✓.
Odpowiedź: Minimum lokalne w punkcie , wartość . Maksimum nie występuje.
Przykład 2 Punkt siodłowy
Zbadaj, czy funkcja ma ekstremum w punkcie .
- Pochodne cząstkowe: , . Oba zerują się dla i , więc jest punktem stacjonarnym — warunek konieczny spełniony.
- Drugie pochodne: , , .
- Hesjan: . Wartość ujemna, więc to punkt siodłowy i ekstremum nie ma.
- Kontrola dwoma przekrojami: przy funkcja upraszcza się do , która w zerze ma minimum; przy mamy , która w zerze ma maksimum ✓.
- Gdyby ktoś sprawdził tylko warunek konieczny, ogłosiłby ekstremum tam, gdzie go nie ma. To najczęstszy błąd w tym temacie.
Odpowiedź: Funkcja nie ma ekstremum w — to punkt siodłowy ().
Przykład 3 Dwa punkty stacjonarne, dwa różne wyniki
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji .
- Pochodne cząstkowe: oraz .
- Z pierwszego równania dostaję . Podstawiam do drugiego: , czyli , a po wyłączeniu przed nawias — .
- Stąd albo . Z zależności dostaję dwa punkty stacjonarne: oraz .
- Drugie pochodne w postaci ogólnej: , , (stała, bo składnik mieszany to ).
- W punkcie : , czyli punkt siodłowy, bez ekstremum.
- W punkcie : , , więc . Skoro dodatkowo , jest to minimum lokalne.
- Wartość: .
Odpowiedź: Minimum lokalne w o wartości ; w punkt siodłowy, ekstremum nie ma.
Przykład 4 Gdy pochodna mieszana nie jest zerem
Wyznacz ekstrema lokalne funkcji .
- Pochodne cząstkowe: oraz . Składnik daje przy różniczkowaniu po samo , a po — samo .
- Układ . Z drugiego równania ; podstawiam do pierwszego: , czyli i , a stąd .
- Drugie pochodne: , , — i tym razem człon mieszany nie znika.
- Hesjan: , a , więc w jest minimum lokalne.
- Wartość: .
- Zauważ, jak działa kara za skręcenie: gdyby człon mieszany był większy, na przykład , wyszłoby i to samo „minimum w obu osiach” okazałoby się siodłem.
Odpowiedź: Minimum lokalne w punkcie , wartość .
7Najczęstsze błędy
Cztery pułapki, z których pierwsza odpowiada za większość straconych punktów na kolokwiach.
Uznanie punktu stacjonarnego za ekstremum bez sprawdzenia hesjanu
Skąd się bierze: Nawyk z liceum: tam po znalezieniu miejsca zerowego pochodnej wystarczy tabela zmienności i sprawa jest zamknięta. W dwóch zmiennych zerowanie się obu pochodnych to dopiero warunek konieczny — punktów siodłowych bywa więcej niż ekstremów.
Jak zrobić dobrze: Traktuj rozwiązanie układu , jako pierwszą połowę zadania. Druga połowa to policzenie w każdym znalezionym punkcie osobno — wartości drugich pochodnych zwykle się między punktami różnią.
Liczenie hesjanu jako iloczynu , bez odjęcia
Skąd się bierze: Gdy pochodna mieszana wynosi zero — a tak jest we wszystkich najprostszych przykładach — obie wersje dają ten sam wynik i błąd długo nie boli. Wychodzi dopiero przy funkcji ze składnikiem , gdzie potrafi zamienić siodło w minimum.
Jak zrobić dobrze: Zapisuj wzór zawsze w pełnej postaci , także gdy widzisz, że . Kwadrat sprawia, że odejmowana wielkość jest nieujemna — poprawka nigdy nie działa na korzyść ekstremum.
Traktowanie drugiej zmiennej jak zmiennej przy liczeniu pochodnej cząstkowej
Skąd się bierze: Odruch mówi „różniczkuję wszystko”, więc przy ze składnika powstaje zamiast zera, a ze składnika wychodzi zamiast . Cały dalszy rachunek jest wtedy nie do uratowania.
Jak zrobić dobrze: Zanim policzysz , powiedz sobie na głos: „ to teraz siódemka”. Składnik bez jest wtedy stałą i znika, a składnik z ma tę stałą jako współczynnik. Przy zamień role.
Ogłaszanie braku ekstremum, gdy hesjan wyszedł zerowy
Skąd się bierze: Ujemny hesjan naprawdę oznacza brak ekstremum, więc zero bywa czytane jako „tym bardziej brak”. To nieprawda: znaczy tylko, że to kryterium nie rozstrzyga. Funkcja ma w zerze hesjan zerowy i wyraźne minimum.
Jak zrobić dobrze: Napisz wprost, że kryterium nie rozstrzyga, i zbadaj punkt inaczej — najczęściej wystarczy porównać wartość funkcji z wartościami w pobliżu albo sprawdzić znak na kilku prostych przechodzących przez ten punkt.
8Pytania i odpowiedzi
Czy ekstrema funkcji dwóch zmiennych są na maturze?
Nie. Podstawa programowa opisuje rachunek różniczkowy wyłącznie dla funkcji jednej zmiennej — pochodne cząstkowe i hesjan nie pojawiają się w niej w żadnym punkcie, także w zakresie rozszerzonym. Na maturze rozwiązuje się natomiast zadania optymalizacyjne dla jednej zmiennej i to one są odpowiednikiem tego tematu.
Czym pochodna cząstkowa różni się od zwykłej?
Rachunkowo niczym — liczy się ją tymi samymi wzorami. Różnica jest w tym, co uznajemy za stałą: przy pochodnej po iksie każda litera igrek jest traktowana jak zwykła liczba i znika, jeśli stoi samotnie. Zakrzywiony symbol jest tylko przypomnieniem, że zmiennych jest więcej niż jedna.
Co to jest punkt siodłowy i dlaczego nie ma go w jednej zmiennej?
To punkt, w którym funkcja ma minimum wzdłuż jednego kierunku, a maksimum wzdłuż innego — jak przełęcz między dwoma szczytami. Na krzywej jest to niemożliwe, bo z punktu można wyjść tylko w dwie przeciwne strony, a na powierzchni kierunków jest nieskończenie wiele.
Co zrobić, gdy wyznacznik hesjanu wyszedł zerowy?
Uznać, że kryterium milczy, i zbadać punkt innym sposobem. Najprostszy to podstawienie kilku prostych przechodzących przez badany punkt i sprawdzenie, czy wartość funkcji rośnie w każdym z tych kierunków. Jeśli w jednym rośnie, a w drugim maleje, ekstremum nie ma; jeśli we wszystkich rośnie, to kandydat na minimum.
Czy hesjan ma coś wspólnego z wyznacznikiem macierzy ze szkoły?
To dokładnie ten sam wyznacznik, tylko wpisana w niego macierz zawiera drugie pochodne zamiast współczynników układu równań. Liczy się go tym samym wzorem , co opisujemy przy wyznaczniku macierzy. Dla funkcji trzech zmiennych hesjan jest macierzą i wtedy przydaje się reguła Sarrusa.
Czytaj dalej
Mateusz Będkowski
nauczyciel matematyki, autor „Nie każ mu liczyć”
Uczę matematyki od 13 lat, w tym 7 lat w szkole — dziś w dwóch szkołach w Kaliszu. Magister pedagogiki ze specjalnością terapia pedagogiczna, po studiach podyplomowych z matematyki. Rozwiązania na tej stronie liczę sam, krok po kroku, i zapisuję dokładnie tak, jak tłumaczę je uczniowi na kartce.
Ostatnia aktualizacja: 2026-08-02. Tekst redakcji „Nie każ mu liczyć”.