Strona głównaZagadnienia dodatkoweEkstrema 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.

Dział: Zagadnienia dodatkowePoziom: studia, pierwszy rok — poza podstawą programową (LO 2025)

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 y=f(x)y = f(x) ma wykres będący krzywą. Funkcja dwóch zmiennych z=f(x,y)z = f(x, y) przypisuje liczbę każdemu punktowi płaszczyzny, więc jej wykres jest powierzchnią w przestrzeni — czymś w rodzaju mapy terenu, gdzie zz to wysokość nad punktem (x,y)(x, y).

Ta zmiana obrazu od razu tłumaczy, o co chodzi w ekstremach. Na mapie terenu:

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 \partial zamiast dd.

fx=fxfy=fy\frac{\partial f}{\partial x} = f_x \qquad \frac{\partial f}{\partial y} = f_y

Przykład na sucho: dla f(x,y)=x2y+3yf(x, y) = x^2 y + 3y liczymy fxf_x i patrzymy na yy jak na stałą, powiedzmy piątkę. Wtedy x2yx^2 y to „stała razy x2x^2”, czyli pochodna wynosi 2xy2xy, a 3y3y to sama stała, więc znika. Otrzymujemy fx=2xyf_x = 2xy.

Licząc fyf_y, zamieniamy role: stałą jest teraz xx. Wyrażenie x2yx^2 y to „stała razy yy”, więc pochodna to x2x^2, a 3y3y daje 33. Stąd fy=x2+3f_y = x^2 + 3.

Geometrycznie fxf_x mówi, jak stromo teren wznosi się, gdy idziemy równolegle do osi xx, a fyf_y — gdy idziemy równolegle do osi yy. To dwa z nieskończenie wielu możliwych kierunków i właśnie dlatego same nie wystarczą.

Do drugiego warunku potrzebne będą drugie pochodne cząstkowe: fxxf_{xx} (różniczkujemy po xx dwa razy), fyyf_{yy} (dwa razy po yy) oraz mieszana fxyf_{xy} (raz po xx, raz po yy).

Kolejność w pochodnej mieszanej nie ma znaczenia

Dla funkcji, które spotyka się w zadaniach, zachodzi fxy=fyxf_{xy} = f_{yx} — najpierw po xx, potem po yy 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 (x0,y0)(x_0, y_0) ekstremum lokalne i ma tam obie pochodne cząstkowe, to obie muszą się zerować.

fx(x0,y0)=0orazfy(x0,y0)=0f_x(x_0, y_0) = 0 \quad \text{oraz} \quad f_y(x_0, y_0) = 0

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 f(x,y)=x2y2f(x, y) = x^2 - y^2 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 y=x3y = x^3 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 adbcad - bc.

H=det[fxxfxyfxyfyy]=fxxfyy(fxy)2H = \det\begin{bmatrix} f_{xx} & f_{xy} \\ f_{xy} & f_{yy} \end{bmatrix} = f_{xx} \cdot f_{yy} - (f_{xy})^2

Wartości liczymy w punkcie stacjonarnym i odczytujemy wynik z trzech przypadków:

Zwróć uwagę, że przy H>0H > 0 znak fyyf_{yy} jest już przesądzony i taki sam jak fxxf_{xx} — skoro iloczyn fxxfyyf_{xx} f_{yy} musi przewyższyć nieujemne (fxy)2(f_{xy})^2, oba czynniki mają ten sam znak. Sprawdzanie fyyf_{yy} to więc dobra kontrola rachunku, ale nie osobny warunek.

Skąd bierze się odjęcie (fxy)2(f_{xy})^2

Człon mieszany mierzy, jak bardzo powierzchnia jest skręcona — jak zmienia się nachylenie w kierunku xx, gdy przesuwamy się wzdłuż yy.

Duże skręcenie potrafi zepsuć ekstremum nawet wtedy, gdy oba przekroje osiowe wyglądają jak minimum. Odjęcie (fxy)2(f_{xy})^2 jest właśnie karą za to skręcenie.

Dlatego sam warunek fxx>0f_{xx} > 0 i fyy>0f_{yy} > 0 nie wystarcza — bez sprawdzenia HH można ogłosić minimum tam, gdzie jest siodło.

Przypadek H=0H = 0 nie jest wymysłem teoretyków. Funkcja f(x,y)=x4+y4f(x, y) = x^4 + y^4 ma w zerze wyraźne minimum, a hesjan zerowy; funkcja f(x,y)=x3+y3f(x, y) = x^3 + y^3 ma w zerze hesjan również zerowy i żadnego ekstremum. Skoro dwa różne zachowania dają tę samą wartość HH, kryterium przy H=0H = 0 musi milczeć.

5Punkt siodłowy — kształt, którego krzywa mieć nie może

Najczystszym przykładem jest f(x,y)=x2y2f(x, y) = x^2 - y^2 w punkcie (0,0)(0, 0), czyli powierzchnia zwana paraboloidą hiperboliczną — kształt chipsa albo siodła do jazdy konnej.

Idąc wzdłuż osi xx (czyli przy y=0y = 0), dostajemy f=x2f = x^2, a to zwykła parabola z minimum w zerze. Idąc wzdłuż osi yy (przy x=0x = 0), dostajemy f=y2f = -y^2 — 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 H<0H < 0, 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 f(x,y)=x2+y24x6y+5f(x, y) = x^2 + y^2 - 4x - 6y + 5.

  1. Liczę pochodne cząstkowe. Przy fxf_x składniki y2y^2 i 6y-6y są stałymi, więc znikają: fx=2x4f_x = 2x - 4. Przy fyf_y znikają x2x^2 i 4x-4x: fy=2y6f_y = 2y - 6.
  2. Warunek konieczny to układ {2x4=02y6=0\begin{cases} 2x - 4 = 0 \\ 2y - 6 = 0 \end{cases}, a z niego x=2x = 2 i y=3y = 3. Jedyny punkt stacjonarny to (2,3)(2, 3).
  3. Drugie pochodne: fxx=2f_{xx} = 2, fyy=2f_{yy} = 2, a pochodna mieszana fxy=0f_{xy} = 0, bo w fx=2x4f_x = 2x - 4 nie ma już yy.
  4. Hesjan: H=fxxfyy(fxy)2=2202=4H = f_{xx} f_{yy} - (f_{xy})^2 = 2 \cdot 2 - 0^2 = 4. Mamy H>0H > 0 oraz fxx=2>0f_{xx} = 2 > 0, czyli minimum lokalne.
  5. Wartość: f(2,3)=4+9818+5=8f(2, 3) = 4 + 9 - 8 - 18 + 5 = -8.
  6. Kontrola bez hesjanu: grupuję do postaci kanonicznej f=(x2)2+(y3)28f = (x - 2)^2 + (y - 3)^2 - 8. Suma dwóch kwadratów jest najmniejsza, gdy oba są zerami — czyli w (2,3)(2, 3), i wynosi wtedy 8-8 ✓.

Odpowiedź: Minimum lokalne w punkcie (2,3)(2, 3), wartość f(2,3)=8f(2, 3) = -8. Maksimum nie występuje.

Przykład 2 Punkt siodłowy

Zbadaj, czy funkcja f(x,y)=x2y2f(x, y) = x^2 - y^2 ma ekstremum w punkcie (0,0)(0, 0).

  1. Pochodne cząstkowe: fx=2xf_x = 2x, fy=2yf_y = -2y. Oba zerują się dla x=0x = 0 i y=0y = 0, więc (0,0)(0, 0) jest punktem stacjonarnym — warunek konieczny spełniony.
  2. Drugie pochodne: fxx=2f_{xx} = 2, fyy=2f_{yy} = -2, fxy=0f_{xy} = 0.
  3. Hesjan: H=2(2)02=4H = 2 \cdot (-2) - 0^2 = -4. Wartość ujemna, więc to punkt siodłowy i ekstremum nie ma.
  4. Kontrola dwoma przekrojami: przy y=0y = 0 funkcja upraszcza się do f=x2f = x^2, która w zerze ma minimum; przy x=0x = 0 mamy f=y2f = -y^2, która w zerze ma maksimum ✓.
  5. 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 (0,0)(0, 0) — to punkt siodłowy (H=4<0H = -4 < 0).

Przykład 3 Dwa punkty stacjonarne, dwa różne wyniki

Wyznacz ekstrema lokalne funkcji f(x,y)=x33xy+y3f(x, y) = x^3 - 3xy + y^3.

  1. Pochodne cząstkowe: fx=3x23yf_x = 3x^2 - 3y oraz fy=3x+3y2f_y = -3x + 3y^2.
  2. Z pierwszego równania 3x23y=03x^2 - 3y = 0 dostaję y=x2y = x^2. Podstawiam do drugiego: 3x+3(x2)2=0-3x + 3(x^2)^2 = 0, czyli 3x43x=03x^4 - 3x = 0, a po wyłączeniu 3x3x przed nawias — 3x(x31)=03x(x^3 - 1) = 0.
  3. Stąd x=0x = 0 albo x=1x = 1. Z zależności y=x2y = x^2 dostaję dwa punkty stacjonarne: (0,0)(0, 0) oraz (1,1)(1, 1).
  4. Drugie pochodne w postaci ogólnej: fxx=6xf_{xx} = 6x, fyy=6yf_{yy} = 6y, fxy=3f_{xy} = -3 (stała, bo składnik mieszany to 3xy-3xy).
  5. W punkcie (0,0)(0, 0): H=00(3)2=9<0H = 0 \cdot 0 - (-3)^2 = -9 < 0, czyli punkt siodłowy, bez ekstremum.
  6. W punkcie (1,1)(1, 1): fxx=6f_{xx} = 6, fyy=6f_{yy} = 6, więc H=66(3)2=369=27>0H = 6 \cdot 6 - (-3)^2 = 36 - 9 = 27 > 0. Skoro dodatkowo fxx=6>0f_{xx} = 6 > 0, jest to minimum lokalne.
  7. Wartość: f(1,1)=13+1=1f(1, 1) = 1 - 3 + 1 = -1.

Odpowiedź: Minimum lokalne w (1,1)(1, 1) o wartości 1-1; w (0,0)(0, 0) punkt siodłowy, ekstremum nie ma.

Przykład 4 Gdy pochodna mieszana nie jest zerem

Wyznacz ekstrema lokalne funkcji f(x,y)=x2+xy+y23xf(x, y) = x^2 + xy + y^2 - 3x.

  1. Pochodne cząstkowe: fx=2x+y3f_x = 2x + y - 3 oraz fy=x+2yf_y = x + 2y. Składnik xyxy daje przy różniczkowaniu po xx samo yy, a po yy — samo xx.
  2. Układ {2x+y3=0x+2y=0\begin{cases} 2x + y - 3 = 0 \\ x + 2y = 0 \end{cases}. Z drugiego równania x=2yx = -2y; podstawiam do pierwszego: 4y+y3=0-4y + y - 3 = 0, czyli 3y=3-3y = 3 i y=1y = -1, a stąd x=2x = 2.
  3. Drugie pochodne: fxx=2f_{xx} = 2, fyy=2f_{yy} = 2, fxy=1f_{xy} = 1 — i tym razem człon mieszany nie znika.
  4. Hesjan: H=2212=3>0H = 2 \cdot 2 - 1^2 = 3 > 0, a fxx=2>0f_{xx} = 2 > 0, więc w (2,1)(2, -1) jest minimum lokalne.
  5. Wartość: f(2,1)=4+2(1)+16=42+16=3f(2, -1) = 4 + 2 \cdot (-1) + 1 - 6 = 4 - 2 + 1 - 6 = -3.
  6. Zauważ, jak działa kara za skręcenie: gdyby człon mieszany był większy, na przykład fxy=3f_{xy} = 3, wyszłoby H=49=5<0H = 4 - 9 = -5 < 0 i to samo „minimum w obu osiach” okazałoby się siodłem.

Odpowiedź: Minimum lokalne w punkcie (2,1)(2, -1), wartość f(2,1)=3f(2, -1) = -3.

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 fx=0f_x = 0, fy=0f_y = 0 jako pierwszą połowę zadania. Druga połowa to policzenie HH w każdym znalezionym punkcie osobno — wartości drugich pochodnych zwykle się między punktami różnią.

Liczenie hesjanu jako iloczynu fxxfyyf_{xx} \cdot f_{yy}, bez odjęcia (fxy)2(f_{xy})^2

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 xyxy, gdzie potrafi zamienić siodło w minimum.

Jak zrobić dobrze: Zapisuj wzór zawsze w pełnej postaci H=fxxfyy(fxy)2H = f_{xx} f_{yy} - (f_{xy})^2, także gdy widzisz, że fxy=0f_{xy} = 0. 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 fxf_x ze składnika 3y3y powstaje 33 zamiast zera, a ze składnika x2yx^2y wychodzi 2xy+x22xy + x^2 zamiast 2xy2xy. Cały dalszy rachunek jest wtedy nie do uratowania.

Jak zrobić dobrze: Zanim policzysz fxf_x, powiedz sobie na głos: „yy to teraz siódemka”. Składnik bez xx jest wtedy stałą i znika, a składnik z xx ma tę stałą jako współczynnik. Przy fyf_y 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: H=0H = 0 znaczy tylko, że to kryterium nie rozstrzyga. Funkcja x4+y4x^4 + y^4 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 ff 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 \partial 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 adbcad - bc, co opisujemy przy wyznaczniku macierzy. Dla funkcji trzech zmiennych hesjan jest macierzą 3×33\times 3 i wtedy przydaje się reguła Sarrusa.

Czytaj dalej

Mateusz Będkowski — nauczyciel matematyki, autor serwisu Nie każ mu liczyć

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”.