高等数学(七)- 多元函数微分学(2)【多元函数极值问题】

本节为高等数学复习笔记的第七部分,多元函数微分学(2),主要包括:多元函数极值得必要条件与充分条件,以及两道例题 。

2. 多元函数极值

2.1 二元函数取极值的必要条件(适用于多元)

   设 z = f ( x , y ) 在 点 ( x 0 , y 0 ) 处 一 阶 偏 导 数 设z=f(x,y)在点(x_0,y_0)处一阶偏导数 z=f(x,y)(x0,y0) 存 在 且 取 极 值 存在且取极值 则 有 f x ′ ( x 0 , y 0 ) = f y ′ ( x 0 , y 0 ) = 0 则有f'_x(x_0,y_0)=f'_y(x_0,y_0)=0 fx(x0,y0)=fy(x0,y0)=0

2.2 二元函数取极值的充分条件(不适用于多元)

   记 A = f x x ′ ′ ( x 0 , y 0 ) , B = f x y ′ ′ ( x 0 , y 0 ) , A = f y y ′ ′ ( x 0 , y 0 ) 记A=f_{xx}''(x_0,y_0),B=f_{xy}''(x_0,y_0),A=f_{yy}''(x_0,y_0) A=fxx(x0,y0)B=fxy(x0,y0)A=fyy(x0,y0) 令 Δ = B 2 − A C ( 二 元 海 森 矩 阵 ) 则 : 令\Delta=B^2-AC(二元海森矩阵)则: Δ=B2AC
   1 ) Δ < 0 ⟹ 极 值 点 : A < 0 → 极 大 值 1)\Delta<0\Longrightarrow极值点:A<0\rightarrow极大值 1Δ<0A<0
A > 0 → 极 小 值 ; A>0\rightarrow极小值; A>0
   2 ) Δ > 0 ⟹ 非 极 值 ; 2)\Delta>0\Longrightarrow 非极值; 2Δ>0
   3 ) Δ = 0 ⟹ 方 法 失 效 。 3)\Delta=0\Longrightarrow 方法失效。 3Δ=0

2.3 例题

   e g 1 ( 无 条 件 极 值 : 隐 函 数 ) . eg1(无条件极值:隐函数). eg1(). 设 z = z ( x , y ) 由 x 2 − 6 x y + 10 y 2 − 2 y z − z 2 + 18 = 0 ( 式 1 ) 确 定 设z=z(x,y)由x^2-6xy+10y^2-2yz-z^2+18=0(式1)确定 z=z(x,y)x26xy+10y22yzz2+18=01 试 求 z = z ( x , y ) 的 极 值 点 和 极 值 试求z=z(x,y)的极值点和极值 z=z(x,y)
   I . 用 必 要 条 件 求 出 可 疑 点 P I.用必要条件求出可疑点P I.P 即 根 据 z x ′ = z y ′ = 0 求 P 点 即根据z_x'=z_y'=0求P点 zx=zy=0P 对 式 1 两 边 一 次 求 x , y 的 偏 导 : 对式1两边一次求x,y的偏导: 1xy
{ 2 x − 6 y − 2 y z x ′ − 2 z z x ′ = 0 − 6 x + 20 y − 2 z − 2 y z y ′ − 2 z z y ′ = 0 ⟹ \begin{cases}2x-6y-2yz_x'-2zz_x'=0\\-6x+20y-2z-2yz_y'-2zz_y'=0\end{cases}\Longrightarrow {2x6y2yzx2zzx=06x+20y2z2yzy2zzy=0

{ x − 3 y − ( y + z ) z x ′ = 0 ( 式 2 ) − 3 x + 10 y − z − ( y + z ) z y ′ = 0 ( 式 3 ) \begin{cases} x-3y-(y+z)z_x'=0(式2)\\-3x+10y-z-(y+z)z_y'=0(式3) \end{cases} {x3y(y+z)zx=023x+10yz(y+z)zy=03

令 { z x ′ = 0 z y ′ = 0 , 得 { x − 3 y = 0 − 3 x + 10 y − z = 0 , 即 { x = 3 y z = y 令\begin{cases}z_x'=0\\z_y'=0\end{cases},得\begin{cases}x-3y=0\\-3x+10y-z=0\end{cases},即\begin{cases}x=3y\\z=y\end{cases} {zx=0zy=0{x3y=03x+10yz=0{x=3yz=y
代 入 式 1 , 得 可 疑 点 P 1 ( 9 , 3 ) , z 1 = 3 ; 代入式1,得可疑点P_1(9,3),z_1=3; 1P1(9,3),z1=3;
P 2 ( − 9 , − 3 ) , z 2 = − 3 P_2(-9,-3),z_2=-3 P2(9,3),z2=3
   I I . 用 充 分 条 件 判 别 可 疑 点 II.用充分条件判别可疑点 II. 对 式 2 再 求 x 的 偏 导 对式2再求x的偏导 2x 1 − ( z x ′ ) 2 − ( y + z ) z x x ′ = 0 1-(z_x')^2-(y+z)z_{xx}'=0 1(zx)2(y+z)zxx=0 对 式 2 再 求 y 的 偏 导 对式2再求y的偏导 2y − 3 − ( 1 + z y ′ ) z x ′ − ( y + z ) z x y ′ ′ = 0 -3-(1+z_y')z_x'-(y+z)z_{xy}''=0 3(1+zy)zx(y+z)zxy=0 对 式 3 再 求 y 的 偏 导 数 对式3再求y的偏导数 3y 10 − z y ′ − ( 1 + z y ′ ) z y ′ − ( y + z ) z y y ′ ′ = 0 10-z_y'-(1+z_y')z_y'-(y+z)z_{yy}''=0 10zy(1+zy)zy(y+z)zyy=0
又 结 合 : z x ′ = z y ′ = 0 又结合:z_x'=z_y'=0 zx=zy=0
推 出 z x x ′ ′ = 1 y + z , z x y ′ ′ = − 3 y + z , z y y ′ ′ = 10 y + z 推出z_{xx}''=\frac1{y+z},z_{xy}''=\frac{-3}{y+z},z_{yy}''=\frac{10}{y+z} zxx=y+z1zxy=y+z3zyy=y+z10
对 于 P 1 , z 1 = 3 , A = 1 6 , B = − 1 2 , C = 5 3 , Δ 1 = − 1 36 ; 对于P_1,z_1=3,A=\frac16,B=-\frac12,C=\frac53,\Delta_1=-\frac1{36}; P1,z1=3,A=61,B=21,C=35,Δ1=361;
∴ Δ 1 < 0 且 A > 0 , 则 P 1 点 式 极 小 值 点 , z 1 是 极 小 值 \therefore\Delta_1<0且A>0,则P_1点式极小值点,z_1是极小值 Δ1<0A>0P1z1 同 理 P 2 点 。 同理P_2点。 P2

   e g 2 ( 无 条 件 极 值 : 显 函 数 ) 求 f ( x , y ) = x 2 ( 2 + y 2 ) + y l n y 的 极 值 eg2(无条件极值:显函数)求f(x,y)=x^2(2+y^2)+ylny的极值 eg2()f(x,y)=x2(2+y2)+ylny
   解 : f x ′ ( x , y ) = 2 x ( 2 + y 2 ) , f y ′ = 2 x 2 y + l n y + 1 解:f_x'(x,y)=2x(2+y^2),f_y'=2x^2y+lny+1 fx(x,y)=2x(2+y2),fy=2x2y+lny+1
令 f x ′ = f y ′ = 0 , 得 点 ( 0 , 1 e ) 令f_x'=f_y'=0,得点(0,\frac1e) fx=fy=0(0,e1) 则 A = f x x ′ ′ ( 0 , 1 e ) = ( 2 + 1 e 2 ) , B = 0 , C = e 则A=f_xx''(0,\frac1e)=(2+\frac1{e^2}),B=0,C=e A=fxx(0,e1)=(2+e21)B=0C=e 有 : B 2 − A C < 0 , A > 0 有:B^2-AC<0,A>0 B2AC<0A>0 ∴ f ( x , y ) 在 驻 点 ( 0 , 1 e ) 处 取 得 极 小 值 − 1 e \therefore f(x,y)在驻点(0,\frac1e)处取得极小值-\frac1e f(x,y)(0,e1)e1


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