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Lição 11 — Extremos Livres e a Hessiana

Pontos críticos, critério da Hessiana para extremos locais (máximo, mínimo, sela), formas quadráticas e classificação em funções de duas e três variáveis.

Usado em: Cálculo 3 — Unidade 2 · USP MAT0216 · ITA MA-013

Hf=(fxxfxyfxyfyy);D=fxxfyy−fxy2;{D>0, fxx>0⇒mıˊnD>0, fxx<0⇒maˊxD<0⇒selaH_f = \begin{pmatrix}f_{xx}&f_{xy}\\f_{xy}&f_{yy}\end{pmatrix};\quad D = f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2;\quad \begin{cases}D>0,\,f_{xx}>0\Rightarrow\text{mín}\\D>0,\,f_{xx}<0\Rightarrow\text{máx}\\D<0\Rightarrow\text{sela}\end{cases}

A matriz Hessiana HfH_f contém todas as segundas derivadas parciais. Seu determinante DD e o sinal de fxxf_{xx} classificam pontos críticos de f:R2→Rf:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}.

Escolha sua porta

Notação rigorosa, derivação completa, hipóteses

Critério da Hessiana — teoria completa

Pontos críticos

a\mathbf{a} é ponto crítico de f:U⊂Rn→Rf: U\subset\mathbb{R}^n\to\mathbb{R} se ∇f(a)=0\nabla f(\mathbf{a}) = \mathbf{0} (ou ∇f\nabla f não existe em a\mathbf{a}).

Hessiana

Hf(a)=[∂2f∂xi∂xj(a)]i,j=1nH_f(\mathbf{a}) = \left[\frac{\partial^2 f}{\partial x_i\partial x_j}(\mathbf{a})\right]_{i,j=1}^n

Por Clairaut, HfH_f é simétrica se f∈C2f\in C^2. Seus autovalores λ1,…,λn∈R\lambda_1,\ldots,\lambda_n\in\mathbb{R}.

Critério dos autovalores (caso geral)

Se ∇f(a)=0\nabla f(\mathbf{a}) = \mathbf{0} e Hf(a)H_f(\mathbf{a}) é:

  • Definida positiva (λi>0\lambda_i > 0 para todo ii): a\mathbf{a} é mínimo local.
  • Definida negativa (λi<0\lambda_i < 0 para todo ii): a\mathbf{a} é máximo local.
  • Indefinida (autovalores de sinais distintos): a\mathbf{a} é ponto de sela.
  • Semidefinida (det⁡H=0\det H = 0): teste inconclusivo.

Caso n=2n=2 — critério prático

D=det⁡H=fxxfyy−fxy2D = \det H = f_{xx}f_{yy} - f_{xy}^2.

  • D>0D > 0, fxx>0f_{xx} > 0: mínimo local.
  • D>0D > 0, fxx<0f_{xx} < 0: máximo local.
  • D<0D < 0: sela.
  • D=0D = 0: inconclusivo.

Critérios de Sylvester (minores principais)

Hf>0H_f > 0 (def. positiva) ⇔\Leftrightarrow todos os minores principais lideres Δk>0\Delta_k > 0: Δ1=fx1x1>0,Δ2=det⁡(f11f12f21f22)>0,…,Δn=det⁡H>0\Delta_1 = f_{x_1x_1} > 0,\quad \Delta_2 = \det\begin{pmatrix}f_{11}&f_{12}\\f_{21}&f_{22}\end{pmatrix} > 0,\ldots,\quad \Delta_n = \det H > 0

Expansão de Taylor de 2ª ordem

f(a+h)=f(a)+∇f(a)⋅h+12hTHf(a)h+o(∥h∥2)f(\mathbf{a}+\mathbf{h}) = f(\mathbf{a}) + \nabla f(\mathbf{a})\cdot\mathbf{h} + \tfrac{1}{2}\mathbf{h}^T H_f(\mathbf{a})\mathbf{h} + o(\|\mathbf{h}\|^2)

No ponto crítico (∇f=0\nabla f = 0): f(a+h)−f(a)≈12hTHfhf(\mathbf{a}+\mathbf{h}) - f(\mathbf{a}) \approx \tfrac{1}{2}\mathbf{h}^T H_f \mathbf{h} — forma quadrática determina o comportamento.

Exemplos resolvidos


Exercícios

Bloco A — Pontos críticos e classificação

Bloco B — Hessiana em aplicações

Bloco C — Nível ITA/USP

Para continuar

  • Stewart, J. — Cálculo, vol. 2, §14.7 — Cengage, 8ª ed.
  • Guidorizzi, H.L. — Um Curso de Cálculo, vol. 2, §5.1–5.2 — LTC, 5ª ed.
  • Apostol, T.M. — Calculus, vol. 2, §9.3–9.4 — Wiley, 2ª ed.
  • Thomas, G.B. — Cálculo, vol. 2, §14.7 — Pearson, 14ª ed.
  • Kreyszig, E. — Advanced Engineering Mathematics, §9.7 — Wiley, 10ª ed.

Atualizado em 2026-05-28 · Autor(es): Clube da Matemática

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