多元函数的极值及其求法课件

单击此处编辑母版标题样式,*,*,返回,上页,下页,目录,第八节 多元函数的极值及其求法,第七章,(Absolute maximum and minimum values),一、多元函数的极值,二、条件极值 拉格朗日乘数法,三、小结与思考练习,9/17/2024,1,一、 多元函数的极值及最大值、最小值,定义,若函数,则称函数在该点取得,极大值(极小值).,例如 :,在点 (0,0) 有极小值;,在点 (0,0) 有极大值;,在点 (0,0) 无极值.,极大值和极小值,统称为,极值,使函数取得极值的点称为,极值点,.,的某邻域内有,9/17/2024,2,说明,:,使偏导数都为 0 的点称为,驻点 .,例如,函数,偏导数,证:,据一元函数极值的必要条件可知定理结论成立.,取得极值 ,取得极值,取得极值,但驻点不一定是极值点.,有驻点( 0, 0 ),但在该点不取极值.,且在该点取得极值 ,则有,存在,故,定理1 (必要条件),9/17/2024,3,时,具有极值,的某邻域内具有一阶和二阶连续偏导数, 且,令,则: 1) 当,A0 时取极小值.,2) 当,3) 当,这个定理不加证明.,时,没有极值,.,时,不能确定, 需另行讨论.,若函数,定理2 (充分条件),9/17/2024,4,9/17/2024,5,例1.,求函数,解,:,第一步 求驻点.,得驻点,: (1, 0) , (1, 2) , (3, 0) , (3, 2) .,第二步 判别.,在点,(1,0),处,为极小值;,解方程组,的极值.,求二阶偏导数,9/17/2024,6,在点,(,3,0),处,不是极值;,在点,(,3,2),处,为极大值.,在点,(1,2),处,不是极值;,9/17/2024,7,例2.,讨论函数,及,是否取得极值.,解:,显然 (0,0) 都是它们的驻点 ,在(0,0)点邻域内的取值,因此,z,(0,0) 不是极值.,因此,为极小值.,正,负,0,在点(0,0),并且在 (0,0) 都有,可能为,9/17/2024,8,二、最值应用问题,函数,f,在闭域上连续,函数,f,在闭域上可达到最值,最值可疑点,驻点,边界上的最值点,特别,当区域内部最值存在, 且,只有一个,极值点,P,时,为极小 值,为最小 值,(大),(大),依据,9/17/2024,9,提示,:,首先考察函数,z,在三角形区域,D,内的极值,其次，考察函数在三角形区域的边界上的最大值和最小值.,9/17/2024,10,首先考察函数Z在三角形区域D内的极值.令,解此方程组，得到D内的驻点为(2,1).,解: 令,9/17/2024,11,其次，考察函数在区域D的边界上的最大值和最小值.,（1）在x=0上,z=0 ;,（2）在y=0上,z=0 ;,（3）在x+y=6上,解得驻点x=0和x=4,比较得最大值为4，最小值为64.,9/17/2024,12,把它折起来做成,解:,设折起来的边长为,x,cm,则断面面积,x,24,一个断面为等腰梯形的水槽,倾角为,积最大.,为,问怎样折法才能使断面面,例4,有一宽为 24cm 的长方形铁板 ,9/17/2024,13,令,解得:,由题意知,最大值在定义域,D,内达到,而在域,D,内只有,一个驻点,故此点即为所求.,9/17/2024,14,二、条件极值 拉格朗日乘数法,极值问题,无条件极值:,条 件 极 值 :,条件极值的求法:,方法1 代入法.,求一元函数,的无条件极值问题,对自变量只有定义域限制,对自变量除定义域限制外,还有其它条件限制,例如 ,转化,9/17/2024,15,例,解,9/17/2024,16,如方法 1 所述 ,则问题等价于一元函数,可确定隐函数,的极值问题,极值点必满足,设,记,例如,故,故有,方法2 拉格朗日乘数法.,9/17/2024,17,引入辅助函数,辅助函数,F,称为拉格朗日( Lagrange )函数.,利用拉格,极值点必满足,则极值点满足:,朗日函数求极值的方法称为,拉格朗日乘数法.,9/17/2024,18,拉格朗日乘数法可推广到多个自变量和多个约束条件的情形.,设,解方程组,可得到条件极值的可疑点 .,例如,求函数,下的极值.,在条件,推广,9/17/2024,19,例5,要设计一个容积为,V,的长方形无盖水箱, 试,问长、宽、高各等于多少时, 可使得表面积达到,最小?,若设长、宽、高各等于,x,y,z, 则,目标函数:,约束条件:,9/17/2024,20,例5 解,此例以往的解法是从条件式解出显函数,例如 代入目标函数后, 转而求解,的普通极值问题. 可是这样做并不总是方便的,而,且往往无法将条件式作显化处理, 更不用说多个条,件式的情形了. 现在的新办法是设辅助函数,并求解以下方程组:,9/17/2024,21,两两相减后立即得出 再代入第四式,便求得,为消去 , 将前三式分别乘以,x,y,z, 则得,9/17/2024,22,得唯一稳定点,由题意可知合理的设计是存在的,长、宽为高的 2 倍时，所用材料最省.,因此 , 当高为,思考:,1) 当水箱封闭时, 长、宽、高的尺寸如何?,提示:,利用对称性可知,2) 当开口水箱底部的造价为侧面的二倍时, 欲使造价,最省, 应如何设拉格朗日函数? 长、宽、高尺寸如何?,提示:,长、宽、高尺寸相等 .,9/17/2024,23,解,则,由 (1)，(2) 得,由 (1)，(3) 得,9/17/2024,24,将 (5)，(6) 代入 (4)：,于是，得,这是唯一可能的极值点。,因为由问题本身可知，最大值一定存在，,所以，,最大值就在这个可能的极值点处取得。,故，最大值,9/17/2024,25,例6 解,这里有两个条件式, 需要引入两个拉格朗,日常数; 而且为了方便计算, 把目标函数改取距离,目标函数:,约束条件:,的平方 (这是等价的), 即设,9/17/2024,26,求解以下方程组:,由此又得 再代入条件,式, 继而求得: ( 这里 否则将无解 ),9/17/2024,27,故原点至已知曲线上点的最小距离与最大距离分,别为,最后得到,9/17/2024,28,注意:,应用,拉格朗日乘数法求解条件极值问题，,产生的方程组变量个数可能比较多，似乎解这,个方程组往往是很困难，但注意我们可以利用,变量之间的关系(也就是问题给出的条件)，找,到解方程组的简便方法，而不是要用死板的方,法去解方程组.,9/17/2024,29,内容小结,1. 函数的极值问题,第一步 利用必要条件在定义域内找驻点.,即解方程组,第二步 利用充分条件 判别驻点是否为极值点 .,2. 函数的条件极值问题,(1) 简单问题用代入法,如对二元函数,(2) 一般问题用拉格朗日乘数法,9/17/2024,30,设拉格朗日函数,如求二元函数,下的极值,解方程组,在条件,求驻点 .,3. 函数的最值问题,第二步 判别,比较驻点及边界点上函数值的大小,根据问题的实际意义确定最值,第一步 找目标函数, 确定定义域 ( 及约束条件),9/17/2024,31,作业,习 题 7-8 P116,2; 8,9/17/2024,32,已知平面上两定点,A,( 1 , 3 ),B,( 4 , 2 ),试在椭圆,圆周上求一点,C, 使,ABC,面积,S,最大.,思考练习,解答提示:,设,C,点坐标为 (,x,y,),则,9/17/2024,33,设拉格朗日函数,解方程组,得驻点,对应面积,而,比较可知, 点,C,与,E,重合时, 三角形,面积最大.,点击图中任意点,动画开始或暂停,9/17/2024,34,备用题 1.,求半径为,R,的圆的内接三角形中面积最大者,.,解:,设内接三角形各边所对的圆心角为,x , y , z,则,它们所对应的三个三角形面积分别为,设,拉格朗日,函数,解方程组,得,故圆内接正三角形面积最大 , 最大面积为,9/17/2024,35,为边的面积最大的四边形 ,试列出其目标函数和约束条件 ?,提示:,目标函数 :,约束条件 :,答案,:,即四边形内接于圆时面积最大 .,2.,求平面上以,9/17/2024,36,