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Matematica

Capire la matematica, un passaggio alla volta.

Dai fondamenti di algebra agli integrali doppi: definizioni rigorose, intuizioni, formule spiegate, esempi guidati, errori frequenti e schemi di ripasso.

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19. Ottimizzazione in più variabili

Ottimizzare significa cercare punti in cui una funzione raggiunge valori localmente o globalmente estremi. In più variabili il gradiente individua i candidati e la Hessiana descrive la curvatura.

Hessiana e forme quadratiche

La Hessiana H raccoglie le derivate seconde. Vicino a un punto stazionario, la forma quadratica hᵀHh è il termine che descrive la curvatura di secondo ordine.

In due variabili, D=fₓₓfᵧᵧ−fₓᵧ²: se D>0 e fₓₓ>0 c’è un minimo locale; se D>0 e fₓₓ<0 un massimo; se D<0 un punto di sella; se D=0 il test è inconcludente.

Errore frequente

D=0 non significa punto di sella: significa soltanto che il test della Hessiana non decide.

Punti stazionari e classificazione

Un punto interno differenziabile di massimo o minimo locale deve avere ∇f=0. Si risolve quindi il sistema delle derivate prime e si classificano i candidati con Hessiana, confronto diretto o termini di ordine superiore.

Esempio guidato — classificazione

f(x,y)=x²−y². Il gradiente (2x,−2y) si annulla in (0,0). La Hessiana diag(2,−2) è indefinita e D=−4<0: lungo l’asse x la funzione cresce, lungo y diminuisce, quindi l’origine è una sella.

Vincoli e moltiplicatori di Lagrange

Con il vincolo g(x,y)=c, in un estremo regolare le curve di livello di f e g sono tangenti: i gradienti sono paralleli.

Sistema di Lagrange

∇f(x,y)=λ∇g(x,y),g(x,y)=c

Significato dei simboli. λ è il moltiplicatore; l’ultima equazione impone il vincolo. Occorre inoltre controllare punti non regolari e bordi.

Esempio guidato — distanza con vincolo

Massimizzare e minimizzare f=x+y su x²+y²=1. Da (1,1)=λ(2x,2y) segue x=y. Col vincolo, x=y=±1/√2. I valori sono ±√2.

Schema di ripasso

  • Trova tutti i candidati.
  • Classifica gli interni con la Hessiana.
  • Confronta anche bordo e punti non regolari.
  • Su insiemi compatti una funzione continua raggiunge estremi assoluti.
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