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第八节 二元函数的极值

第八节   二元函数的极值
第八节   二元函数的极值

第八节二元函数的极值

教学目的与要求:理解多元函数极值和条件极值的概念,会求二元函数的极值,了解求条

件极值的拉格朗日乘数法,会求解一些较简单的最大值和最小值的应用

问题

教学重难点:二元函数的极值的充分条件,拉格朗日乘数法

教法:讲授

课时:2 课时

一、引例

伴随着社会进步和生产力的不断发展,在工程技术,科学研究,经济活动分析诸多领域都提出了大量最优化问题。这些问题的本质特征是:在一定的投入水平下,如何寻求最大的效益或与之等价的含义,在设定的效益水平下,如何降低投入。刻划这类问题的数学语言是:对于变量之间的函数,当自变量取何值时,函数变量的值能达到相对的最大或最小。这就是构成多元函数极值问题的实际背景。

实例:某商店卖两种牌子的果汁,本地牌子每瓶进价 1 元,外地牌子每瓶进价 1.2 元,店

主估计,如果本地牌子的每瓶卖元,外地牌子的每瓶卖元,则每天可卖出

瓶本地牌子的果汁,瓶外地牌子的果汁问:店主每天以什么价格卖两种牌子的果汁可取得最大收益?

每天的收益为

求最大收益即为求二元函数的最大值.

注:对于多元函数的极值问题,我们将重点研究二元函数。

二、二元函数极值的一般概念

1 、二元函数极值定义设函数z= f( x, y) 在点( x0 , y0 ) 的某个邻域内有定义, 如果对于该邻域内任何异于( x0 , y0 ) 的点( x, y) , 都有f( x, y)< f( x0 , y0 ) ( 或f( x, y)> f( x0 , y0 )) , 则称函数在点( x0 , y0 ) 有极大值( 或极小值) f( x0 , y0 ) .

极大值、极小值统称为极值。使函数取得极值的点称为极值点。

例1 讨论函数在点的状态。

因为,而当x,y 不同时为零时,恒

大于零,所以函数在(0,0 )取得的函数值是函数的一个极小值。这个结论由图一可看出其正确性。

由于的图形是顶点在(0,0,0) 的开口向上的

旋转抛物面,(0,0,0) 恰为它的顶点。

例如,函数z= 3 x2 + 4 y2 在点(0 , 0) 处有极小值。

当( x, y) = (0 , 0) 时, z= 0 , 而当( x, y) 1 (0 , 0) 时, z> 0 . 因此z= 0 是函数的极小值。

例如,函数在点(0 , 0) 处有极大值。

当( x, y) = (0 , 0) 时, z= 0 , 而当( x, y) 1 (0 , 0) 时, z< 0 . 因此z= 0 是函数的极大值。例如,函数z= xy在点(0 , 0) 处既不取得极大值也不取得极小值。

因为在点(0 , 0) 处的函数值为零, 而在点(0 , 0) 的任一邻域内, 总有使函数值为正的点, 也有使函数值为负的点。

以上关于二元函数的极值概念, 可推广到n元函数。

注:关于多元函数极值的概念应注意理解好两个要点:

一是极值点指的是某个区域的内点而不能是边界点。

二是函数的极值指的是函数在某个自变量点的邻域内的局部概念而不是在函

数定义域内的概念。

2 、二元函数极值存在的必要条件

在前述例 1 中,我们知道函数点(0,0) 将取得极小值,由于

是比较简单的二元函数,所以直接用极值定义就可得出结论。若遇到函数关系

复杂的问题,判断极值就比较困难了。因为在极值定义中,函数是否在一点处取

极值归结为函数值的比较,而在一点的邻域内有无穷多个自变量点, 那么仅仅依据定义来判断几乎无法实现。因此,必须研究极值点寻求的方法。

定理1 ( 必要条件) 设函数z= f( x, y) 在点( x0 , y0 ) 具有偏导数, 且在点( x0 , y0 ) 处

有极值, 则有, 。

证:不妨设在点处有极大值, 则对于的某邻域内任

都有,

故当,时,有,

说明一元函数在处有极大值, 必有;

类似地可证.

仿照一元函数, 凡是能使f x( x, y) = 0 , f y( x, y) = 0 同时成立的点( x0 , y0 ) 称为函数z= f( x, y) 的驻点。

从定理1 可知, 具有偏导数的函数的极值点必定是驻点。但函数的驻点不一定是极值点。

例如, 函数z= xy在点(0 , 0) 处的两个偏导数都是零, 函数在(0 , 0) 既不取得极大值也不取得极小值。

由此定理可得如下表述的逆否命题:设在点存在偏导数,但

, 至少一个不等于零,则在点不取极

值。由此说明, 一个二元函数的极值的存在,首先应考虑两个偏导数为零的点(不妨仍称

为驻点),因为在非驻点处,函数一定不取极值。

当然,接着我们就应该思考,函数在驻点是否就一定取极值?

即上述定理的逆定理是否成立呢?为此讨论下面的例子。

例2 讨论函数在是否取极值

解先讨论在是否满足必要条件

从而,即是驻点且

在有可能取极值

若在点(0,0) 的邻域内任取x 、y 均为正数的点,这时;任取x 、y 为负数时,

也就是说既不是点邻域内自变量为任意( x, y) 时对应的函数值相对而

言较大或较小的,所以并不是极值。

由此可知定理的逆定理并不成立,所以该定理只是必要性定理。

从几何上看, 这时如果曲面z= f( x, y) 在点( x0 , y0 , z0 ) 处有切平面, 则切平面z- z0 = f x( x0 , y0 )( x- x0 ) + f y( x0 , y0 )( y- y0 ) 成为平行于xOy坐标面的平面z= z0 .

类似地可推得, 如果三元函数u= f( x, y, z) 在点( x0 , y0 , z0 ) 具有偏导数, 则它在点( x0 , y0 , z0 ) 具有极值的必要条件为f x( x0 , y0 , z0 ) = 0 , f y( x0 , y0 , z0 ) = 0 , f z( x0 , y0 , z0 ) = 0 .

提问:那么如何判定一个驻点是否为极值点呢?

3 、二元函数极值存在的充分条件

定理2 ( 充分条件) 设函数z= f( x, y) 在点( x0 , y0 ) 的某邻域内连续且有一阶及二阶连续偏导数, 又 f x( x0 , y0 ) = 0 , f y( x0 , y0 ) = 0 , 令f xx( x0 , y0 ) = A, f xy( x0 , y0 ) = B, f yy( x0 , y0 ) = C,

则f( x, y) 在( x0 , y0 ) 处是否取得极值的条件如下:

(1) AC- B2 >0 时具有极值, 且当A<0 时有极大值, 当A>0 时有极小值;

(2) AC- B2 <0 时没有极值;

(3) AC- B2 = 0 时可能有极值, 也可能没有极值.

(是否是极值需用其它方法,一般可结合图形判定)

在函数f( x, y) 的驻点处如果 f xx×f yy- f xy2 >0 , 则函数具有极值, 且当 f xx<0 时有极大值,

当f xx>0 时有极小值。

4 、极值的求法

由极值存在的必要条件和充分条件可归纳出求极值的一般步骤如下:

第一步求一阶偏导数,令其为零,解出定义域内的驻点

即,解方程组f x( x, y) = 0 , f y( x, y) = 0 , 求得一切实数解, 可得一切驻点。

第二步对于每一个驻点( x0 , y0 ) , 求出二阶偏导数的值A、B和C.

第三步定出AC- B2 的符号, 按定理2 的结论判定f( x0 , y0 ) 是否是极值、是极大值还是极小值。

例3 求函数f( x, y) = x3 - y3 + 3 x2 + 3 y2 - 9 x的极值。

解解方程组,

求得x= 1 , - 3 ; y= 0 , 2 . 于是得驻点为(1 , 0) 、(1 , 2) 、( - 3 , 0) 、( - 3 , 2) .

再求出二阶偏导数f xx( x, y) = 6 x+ 6 , f xy( x, y) = 0 , f yy( x, y) = - 6 y+ 6 .

在点(1 , 0) 处, AC- B2 = 12 × 6>0 , 又A>0 , 所以函数在(1 , 0) 处有极小值f(1 , 0) = - 5 ;

在点(1 , 2) 处, AC- B2 = 12 × ( - 6)<0 , 所以f(1 , 2) 不是极值;

在点( - 3 , 0) 处, AC- B2 = - 12 × 6<0 , 所以f( - 3 , 0) 不是极值;

在点( - 3 , 2) 处, AC- B2 = - 12 × ( - 6)>0 , 又A<0 , 所以函数的( - 3 , 2) 处有极大值f( - 3 , 2) = 31 .

应注意的问题:不是驻点也可能是极值点

例如, 函数在点(0 , 0) 处有极大值, 但(0 , 0) 不是函数的驻点. 因此, 在考虑函数的极值问题时, 除了考虑函数的驻点外, 如果有偏导数不存在的点, 那么对这些点也应当考虑。

三、多元函数的最值

与一元函数相类似,我们可以利用函数的极值来求函数的最大值和最小值.

最大值和最小值问题:如果f( x, y) 在有界闭区域D上连续, 则f( x, y) 在D上必定能取得最大值和最小值。这种使函数取得最大值或最小值的点既可能在D的内部, 也可能在D 的边界上. 我们假定, 函数在D上连续、在D内可微分且只有有限个驻点, 这时如果函数在D的内部取得最大值( 最小值) , 那么这个最大值( 最小值) 也是函数的极大值( 极小值) 。因此, 求最大值和最小值的一般方法是:将函数在D 内的所有驻点处的函数值及在D 的边界上的最大值和最小值相互比较,其中最大者即为最大值,最小者即为最小值.

例4 某厂要用铁板做成一个体积为8 m 3 的有盖长方体水箱。问当长、宽、高各取多少时, 才能使用料最省。

解设水箱的长为x m , 宽为y m , 则其高应为m . 此水箱所用材料的面积为

.

令, , 得x= 2 , y= 2 .

根据题意可知, 水箱所用材料面积的最小值一定存在, 并在开区域D= {( x, y)| x>0 , y>0} 内取得. 因为函数A在D内只有一个驻点, 所以此驻点一定是A的最小值点, 即当水

箱的长为2m 、宽为2m 、高为m 时, 水箱所用的材料最省。

因此A在D内的唯一驻点(2 , 2) 处取得最小值, 即长为2m 、宽为2m 、高为

m 时, 所用材料最省.

从这个例子还可看出, 在体积一定的长方体中, 以立方体的表面积为最小.

例5 有一宽为24cm 的长方形铁板, 把它两边折起来做成一断面为等腰梯形的水槽。

问怎样折法才能使断面的面积最大?

解设折起来的边长为x cm , 倾角为a, 那末梯形断面的下底长为24 - 2 x, 上底长为24 - 2 x× cos a, 高为x× sin a, 所以断面面积

,

即A= 24 x× sin a- 2 x2 sin a+ x2 sin a cos a(0< x<12 , 0 < a£90 ° ) .

可见断面面积A是x和a的二元函数, 这就是目标函数, 面求使这函数取得最大值的点( x, a) .

令A x= 24sin a- 4 x sin a+ 2 x sin a cos a= 0 ,

Aa= 24 x cos a- 2 x2 cos a+ x2 (cos 2 a- sin 2 a) = 0 ,

由于sin a1 0 , x1 0 , 上述方程组可化为

.

解这方程组, 得a= 60 ° , x= 8cm .

根据题意可知断面面积的最大值一定存在, 并且在D= {( x, y)|0< x<12 , 0 < a£90 ° } 内取得, 通过计算得知a= 90 °时的函数值比a= 60 ° , x= 8(cm) 时的函数值为小。又函数在D内只有一个驻点, 因此可以断定, 当x= 8cm , a= 60 °时, 就能使断面的面积最大。

四、条件极值、拉格朗日乘数法

1. 转化为无条件极值

在讨论多元函数极值问题时,如果遇到除了在定义域中寻求驻点(可能的极值点)外,对自

变量再无别的限制条件,我们称这类问题为函数的无条件极值。如求的极值,就是无条件极值问题。

然而在实际中,我们也会遇到另一类问题。比如,讨论表面积为的长方体的最大体积

问题。若设长方体的三度为, 则体积,同时应满足于

是我们的问题的数学含义就是:当自变量满足条件下取何值

时能使函数取得最大值。(这里我们暂不论证指出这个最大值就是极大值)。

一般抽象出来,可表为如下形式:

即函数在条件下的取极大(小)值问题。今后,我们称这种问题为

函数的条件极值问题。对自变量有附加条件的极值称为条件极值。一般称为

目标函数,为约束条件( 或约束方程) 。

对于有些实际问题, 可以把条件极值问题化为无条件极值问题。

例如上述问题, 由条件, 解得, 于是得V.

只需求V的无条件极值问题。

例6 求函数在约束条件下的条件极值。

解由约束条件可解出代入目标函数,有:

令得驻点

由于当时,,当时,

在时取极大值,

又当时,由约束条件可解出,

而,此例说明条件极值可有如下一种解法:

如果能从约束方程中解出一个自变量,代入目标函数后,就可转化为无条件极值。

通过讨论无条件极值可得问题的解答。但在很多实际问题中,往往不容易从约束条件中解出一个自变量,从而上述方法就失效了。因此,对条件极值我们应讨论一般解法。

2. 关于条件极值的拉格朗日乘数法

在很多情形下, 将条件极值化为无条件极值并不容易。需要另一种求条件极值的专用方法, 这就是拉格朗日乘数法。

拉格朗日乘数法:要找函数z= f( x, y) 在条件j( x, y) = 0 下的可能极值点, 可以先构成辅助函数F( x, y) = f( x, y) + lj( x, y) , 其中l为某一常数。

然后解方程组.

由这方程组解出x, y及l, 则其中( x, y) 就是所要求的可能的极值点。

一般称F( x, y) = f( x, y) + lj( x, y) 为拉格朗日函数,待定常数λ称为拉格朗日乘数

归纳上述讨论过程,可得拉格朗日乘数法如下:

欲求函数满足约束条件的极值,一般步骤为:

(1 )构造拉格朗日函数F( x, y) = f( x, y) + lj( x, y) ;

(2 )建立偏导数方程组

(3 )解此方程组的解,可得可能的极值点

例7 将正数12 分成三个正数之和使得为最大 .

令, 则

解得唯一驻点,

故最大值为

这种方法可以推广到自变量多于两个而条件多于一个的情形。

至于如何确定所求的点是否是极值点, 在实际问题中往往可根据问题本身的性质来判定。例8 求表面积为a2 而体积为最大的长方体的体积 .

解设长方体的三棱的长为x, y, z, 则问题就是在条件2( xy+ yz+ xz) = a2 下

求函数V= xyz的最大值。

构成辅助函数F( x, y, z) = xyz+ l(2 xy+ 2 yz+ 2 xz- a2 ) ,

解方程组,

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值点处取得。

此时.

思考题:若及在点均取得极值,则在点是否也取得极值?

五、小结

1 、多元函数的极值

2 、(取得极值的必要条件、充分条件)

3 、多元函数的最值

4 、拉格朗日乘数法

二元函数的极值与最值

二元函数的极值与最值 二元函数的极值与最值问题已成为近年考研的重点,现对二元函数的极值与最值的求法总结如下: 1.二元函数的无条件极值 (1) 二元函数的极值一定在驻点和不可导点取得。对于不可导点,难以判断是否是极值点;对于驻点可用极值的充分条件判定。 (2)二元函数取得极值的必要条件: 设),(y x f z =在点),(00y x 处可微分且在点),(00y x 处有极值,则0),('00=y x f x ,0),('00=y x f y ,即),(00y x 是驻点。 (3) 二元函数取得极值的充分条件:设),(y x f z =在),(00y x 的某个领域内有连续上二阶偏导数,且=),('00y x f x 0),('00=y x f y ,令A y x f xx =),('00, B y x f xy =),('00,C y x f yy =),('00,则 当02<-AC B 且 A<0时,f ),(00y x 为极大值; 当02<-AC B 且A>0,f ),(00y x 为极小值; 02 >-AC B 时,),(00y x 不是极值点。 注意: 当B 2-AC = 0时,函数z = f (x , y )在点),(00y x 可能有极值,也可能没有极值,需另行讨论 例1 求函数z = x 3 + y 2 -2xy 的极值. 【分析】可能极值点是两个一阶偏导数为零的点,先求出一阶偏导,再令其为零确定极值点即可,然后用二阶偏导确定是极大值还是极小值,并求出相应的极值. 【解】先求函数的一、二阶偏导数: y x x z 232 -=??, x y y z 22-=??. x x z 62 2 =??, 22 -=???y x z , 2 2 2 =??y z . 再求函数的驻点.令x z ??= 0,y z ??= 0,得方程组???=-=-. 022,0232x y y x 求得驻点(0,0)、),(3 2 32. 利用定理2对驻点进行讨论:

多元函数的极值与最值例题极其解析

多元函数的极值与最值 1.求函数z=x3+y3?3xy的极值。 步骤: 1)先求驻点(另偏导数等于0,联立) 2)再求ABC A=f xx(x0, y0) B=f xy(x0, y0) C=f yy(x0, y0) 3)(1)当B2-AC<0时,f(x,y)在点(x o,y o)处取得极值, 且当A<0时取得极大值f(x o,y o),当A>0时取得极小值f(x o,y o),当A<0时取得极大值f(x o,y o); (2)当B2-AC>0时,f(x o, y o )不是极值; (3)当B2-AC=0时,f(x o,y o)是否为极值不能确定,需另做讨论. =3x2?3y=0 解:?z ?x ?z =3y2?3x=0 ?y 联立得驻点为(0,0),(1,1) A=f xx(x0, y0)=6x(对x求偏导,再对x求偏导) B=f xy(x0, y0)=-3(对x求偏导,再对y求偏导) C=f yy(x0, y0)=6y(对y求偏导,再对y求偏导) 在点(0,0)处,A=0,B=-3,C=0,由B2-AC=9>0,故在此处

无极值。 在点(1,1)处,A=6,B=-3,C=0, B2-AC=-27<0,又因为 A>0,故在此处为极小值点,极小值为 F (1, 1) =x3+y3?3xy=?1 2.求函数f(x, y)=x2+(y?1)2的极值。 解:f x’=2x=0 F y’=2y-2=0 联立得驻点为(0,1) A=f xx(x0, y0) =2 B=f xy(x0, y0) =0 C=f yy(x0, y0) =2 在点(0,1)处A=2,B=0,C=2由B2-AC=-4<0,又因为A>0,故在此处为极小值点,极小值为 F (0, 1) = 0 3.制造一个容积为a的无盖长方体,使之用料最少,则长宽高为多少? 解:另长宽高分别为x, y, z 故xyz=a, z=a xy S=xy+2(x a xy +y a xy )=xy+2(a y +a x ) S x’=y+2(?a x2 )=0 S y ’= x+2(?a y )=0

“图解法解二元函数的最值问题”

“图解法解二元函数的最值问题” 教学课例 昌平区第一中学 回春荣

“图解法解二元函数的最值问题”教学课例 一、设计意图: 在新课程背景下的教学中,课堂上我们应是以“问”的方式来启发学生深思,以“变”的方式诱导学生灵活善变,使整堂课有张有弛,真正突出了学生是教学活动的主体的原则。本节内容是在学习了不等式、直线的方程的基础上,利用不等式和直线的方程有关知识展开的,它是对二元函数的深化和再认识、再理解,是直线、圆和不等式的综合运用,同时它又对理解下一章“圆锥曲线”的相关内容有着很好的帮助作用,所以这一部分内容起到了一个巩固旧知识,熟练方法,理解新知识的承上启下的作用。图解法在解决函数求最值的问题上有着广泛的应用,这节课为学生提供了广阔的思维空间,对培养学生自主探索、合作研究、主动发现问题、分析问题,创造性地解决问题的能力有着丰富的素材。教学上通过设置问题情境、多媒体展示,学生动手操作,使学生在“做中学”,学生在实际操作中,既发展了学生的个性潜能,又培养了他们的合作精神。 二、本课教学目标 1、知识与技能:通过识图、画图,学会解决有约束条件的二元函数最值问题的处理方法——图解法。 2、过程与方法:经历约束条件为二元一次不等式组,目标函数为具有截距、斜率、距离等几何意义的二元函数的最值问题的探究过程,提炼出解决这类问题的方法——以图定位,以算定量。 3、情感态度与价值观:通过对有约束条件的二元函数的最值问题的探究,培养学生科学严谨的治学态度,勇于探索、敢于创新的学习精神,同时感受合作交流的快乐。 三、教学过程与教学资源设计 (一)、教学内容:图解法解二元函数的最值问题 (二)、教学设计流程图:

多元函数极值的判定

. .. . 目录 摘要 (1) 关键词 (1) Abstract............................................................................................................. .. (1) Keywords.......................................................................................................... .. (1) 引言 (1) 1定理中用到的定义 (2) 2函数极值的判定定理.............................................................. .. (5) 3多元函数极值判定定理的应用 (7) 参考文献 (8)

多元函数极值的判定 摘要:通过引入多元函数的导数,给出了多种方法来判定多元函数的极值. 关键词:极值;条件极值;偏导数;判定 The judgement of the extremum of the function of many variables Abstract:This paper passes to lead into the derivative of the function of many variables, and give several methods to judge the extremum of the

function of many variables and the conditional extremum of the function of many variables . Keywords : extremum; conditional ;partial derivative 引言 在现行的数学分析教材中,关于多元函数的极值判定,一般只讲到二 元函数的极值判定,在参考文献[1]和[3]中有关多元函数极值的判定是都是在实际情况中一定有极值的问题,本文将引入多元函数的偏导数把二元函数的极值判定推广到多元函数极值问题中去. 1 定理中用到的定义 定义1.1[]1 函数f 在点000(,)P x y 的某领域0()U P 有定义.若对于任何点 0(,)()P x y U P ∈,成立不等式 0()()f P f P ≤(或0()()f P f P ≥), 则称函数f 在点0P 取得极大值(或极小值),点0P 称为f 的极大值(或极小值)点. 定义1.2[]1 设函数(,)z f x y =, (,)x y D ∈.若00(,)x y D ∈,且0(,)f x y 在 0x 的某一领域有定义,则当极限 0000000(,)(,)(,) lim x xf x y f x x y f x y x x →+-= 存在时,称这个极限为函数f 在点00(,)x y 关于x 的偏导数,记作 00(,) x y f x ??. 定义1.3[]3 设n D R ?为开集,12(,, ,)n P x x x D ∈,00 0012 2(,,,)P x x x D ∈ :f D R →,若在某个矩阵A ,使当0()P U P ∈时,有 000 ()()() lim P P f P f P A P P P P →----, 则称n 元函数12(,, ,)n f x x x 在点0P 可导.称A 为在点0P 处的导数,记为

(整理)多元函数的极值及其求法

第六节 多元函数的极值及其求法 在实际问题中,我们会大量遇到求多元函数的最大值、最小值的问题. 与一元函数的情形类似,多元函数的最大值、最小值与极大值、极小值密切的联系. 下面我们以二元函数为例来讨论多元函数的极值问题. 内容分布图示 ★ 引例 ★ 二元函数极值的概念 例1-3 ★ 极值的必要条件 ★ 极值的充分条件 ★ 求二元函数极值的一般步骤 ★ 例4 ★ 例5 ★ 求最值的一般步骤 ★ 例6 ★ 例7 ★ 例8 ★ 例9 ★ 例10 ★ 例11 ★ 条件极值的概念 ★ 拉格郎日乘数法 ★ 例12 ★ 例 13 ★ 例 14 ★ 例 15 ★ 例 16 *数学建模举例 ★ 最小二乘法 ★ 线性规划问题 ★ 内容小结 ★ 课堂练习 ★ 习题6-6 ★ 返回 内容提要: 一、二元函数极值的概念 定义1 设函数),(y x f z =在点),(00y x 的某一邻域内有定义, 对于该邻域内异于),(00y x 的任意一点),(y x , 如果 ),,(),(00y x f y x f < 则称函数在),(00y x 有极大值;如果 ),,(),(00y x f y x f > 则称函数在),(00y x 有极小值; 极大值、极小值统称为极值. 使函数取得极值的点称为极值点. 定理1 (必要条件) 设函数),(y x f z =在点),(00y x 具有偏导数, 且在点),(00y x 处有极值, 则它在该点的偏导数必然为零,即 .0),(,0),(0000==y x f y x f y x (6.1) 与一元函数的情形类似,对于多元函数,凡是能使一阶偏导数同时为零的点称为函数的驻点. 定理2 (充分条件) 设函数),(y x f z =在点),(00y x 的某邻域内有直到二阶的连续偏导

实验五 用matlab求二元函数的极值

实验五 用matlab 求二元函数的极值 1.计算二元函数的极值 对于二元函数的极值问题,根据二元函数极值的必要和充分条件,可分为以下几个步骤: 步骤1.定义二元函数),(y x f z =. 步骤2.求解方程组0),(,0),(==y x f y x f y x ,得到驻点. 步骤3.对于每一个驻点),(00y x ,求出二阶偏导数 22222,,.z z z A B C x x y y ???===???? 步骤4. 对于每一个驻点),(00y x ,计算判别式2B AC -,如果02>-B AC ,则该驻点是 极值点,当0>A 为极小值, 0>clear; syms x y; >>z=x^4-8*x*y+2*y^2-3; >>diff(z,x) >>diff(z,y) 结果为 ans =4*x^3-8*y ans =-8*x+4*y

二元函数极值问题

二元函数极值问题

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5 0x >时, 1,z x ?=? 0x <时,1z x ?=-?. 因此在0x =时偏导数不存在. 由此可见,函数的极值点必为 f x ??及f y ??同时为零或至少有一个偏导数不存在的点. 3.2极值的充分条件 设函数),(y x f z =在点的某个邻域内连续且有二阶连续偏导数,又 0),(00'=y x f x 且0),(00'=y x fy ,记二阶连续偏导数为 A y x f xx =),(00', B y x f xy =),(00', C y x f yy =),(00', AC B -=?2,则函数),(y x f z =在),(00y x 点处是否取得极值的条件如下: (1) 当0A 时,函数),(y x f z =在点),(00y x 处取得极小值; (3) 当0>?时,函数),(y x f z =在点),(00y x 处不取得极值; (4) 当0=?时,函数),(y x f z =在点),(00y x 处可能取得极值,也可能不取得极值. 4. 求二元函数的极值的步骤 要求函数的极值,首先要求出所有使函数的偏导数等于零或偏导数不存在的点,然后讨论该点周围函数的变化情形,以进一步判断是否有极值,为此我们讨论f ?,若(,)f x y 的一切二阶导数连续,则由泰勒公式并注意到在极值点必须0x y f f ==,就有 222 000000200001(,)(,)((,)22(,)(,)) x xy y f f x x y y f x y f x x y y x f x x y y x y f x x y y y θθθθθθ?=+?+?-=+?+??++?+???++?+??. 由于(,)f x y 的一切二阶偏导数在00(,)x y 连续,记200(,)x A f x y =,00(,)xy B f x y =,200(,)y C f x y =,那就有

多元函数的极值及其求法

第十一讲 二元函数的极值 要求:理解多元函数极值的概念,会用充分条件判定二元函数的极值,会用拉格朗日乘数法求条件极值。 问题提出:在实际问题中,往往会遇到多元函数的最大值,最小值问题,与一元函数相类似,多元函数的最大值,最小值与极大值,极小值有密切的关系,因此以二元函数为例,来讨论多元函数的极值问题. 一.二元函数的极值 定义 设函数),(y x f z =在点),(00y x 的某个邻域内有定义,对于该邻域内的所有 ),(),(00y x y x ≠,如果总有),(),(00y x f y x f <,则称函数),(y x f z =在点),(00y x 处有 极大值;如果总有),(),(00y x f y x f >,则称函数),(y x f z =在点),(00y x 有极小值. 函数的极大值,极小值统称为极值,使函数取得极值的点称为极值点. 例1.函数xy z =在点)0,0(处不取得极值,因为在点)0,0(处的函数值为零,而在点 )0,0(的任一邻域内总有使函数值为正的点,也有使函数值为负的点. 例2.函数2 2 43y x z +=在点)0,0(处有极小值. 因为对任何),(y x 有0)0,0(),(=>f y x f . 从几何上看,点)0,0,0(是开口朝上的椭圆抛物面2 2 43y x z +=的顶点,曲面在点 )0,0,0(处有切平面0=z ,从而得到函数取得极值的必要条件. 定理1(必要条件) 设函数),(y x f z =在点),(00y x 具有偏导数,且在点),(00y x 处有极值,则它在该点的偏导数必然为零,即0),(00=y x f x ,0),(00=y x f y . 几何解释 若函数),(y x f z =在点),(00y x 取得极值0z ,那么函数所表示的曲面在点),,(000z y x 处的切平面方程为 ))(,())(,(0000000y y y x f x x y x f z z y x -+-=- 是平行于xoy 坐标面的平面0z z =. 类似地有三元及三元以上函数的极值概念,对三元函数也有取得极值的必要条件为 0),,(000=z y x f x ,0),,(000=z y x f y ,0),,(000=z y x f z

二元函数极值存在的判别方法

大庆师范学院 本科生毕业论文 二元函数极值存在的判别方法 院(系)数学科学学院 专业数学与应用数学 研究方向数学教育 学生姓名韩明 学号200801052602 指导教师姓名夏晶 指导教师职称副教授 2012年6月1日

摘要 在生活、生产、经济管理和各种资金核算中,常常要解决在一定的条件下怎么使投入最小、产量最大、效益最高等等问题.因此解决这些问题具有现实意义.这些经济和生活的问题常常都可以转化为数学中的函数问题来探讨,将问题数字化,简单、精确,进而转化为求函数中最大(小)问题,即函数的极值问题.因此,对函数极值问题的探讨具有十分重要的意义.本文主要探讨了二元函数极值存在的充分条件、必要条件的判定方法,以及如何求解,并对结果进行了简要的证明. 关键词:二元函数;极值;驻点;条件极值

Abstract In industrial and agricultural production,management of the economy and the economic accounting,we often solve the problems such as how to make input smallest,output most efficient in given conditions.In the life we often encounter how to achieve maximum profit,use the minimum materials and get maximum efficiency,to deal with the similar problems that have its realistic significance.Above problems can be transformed with function and its function of maximum and minimum value.The concept of extreme value originate from function of maximum and minimum value of mathematics,therefore approaching the extreme value have significance meanning. Keywords:function;extreme value;stagnation;conditional extremum

二元函数的极值

§10–7 二元函数的极值 基础知识导学 1. 二元函数的极值与驻点 ⑴ 极值与驻点 ①极值 设函数),(y x f z =在点),(000y x P 的某个邻域内有定义, 如果对在此邻域内除点),(000y x P 外的任意点),(y x P ,均有),(),(00y x f y x f <(或),(),(00y x f y x f >),则称点),(000y x P 为函数),(y x f z =的极大值点(或极小值点).),(00y x f 称为极大值(或极小值),极大值点和极小值点统称为极值点,极大值和极小值统称为极值. ②驻点 使0),(,0),(==y x f y x f y x 同时成立的点),(y x 称为函数),(y x f z =的驻点. ⑵ 极值存在的必要条件 设函数),(y x f z =在点),(000y x P 的某个邻域内有定义,且存在一阶偏导数,如果),(000y x P 是极值点,则必有 0),( ,0),(0000==y x f y x f y x . 注意 可导函数的极值点必定为驻点,但是函数),(y x f z =的驻点却不一定是极值点. ⑶极值存在的充分条件 设函数),(y x f z =在点),(000y x P 的某个邻域内具有二阶连续偏导数,且),(000y x P 是驻点.设),(00y x f A xx =,),(00y x f B xy =,),(00y x f C yy =,则 ①当02 <-AC B 时,点),(000y x P 是极值点,且当0A 时,点),(000y x P 是极小值点; ②当02 >-AC B 时,点),(000y x P 不是极值点;

二元函数的极值与最值

2. 二元函数的极值与最值 二元函数的极值与最值问题已成为近年考研的重点, 现对二元函数的极值与 最值的求法总结如下: 1.二元函数的无条件极值 (1) 二元函数的极值一定在 驻点 和不可导点 取得。对于不可导点,难以判断 是否是极值点;对于驻点可用极值的充分条件判定。 (2)二元函数取得极值的 必要条件 : 设 z f (x,y) 在点(x 0,y 0) 处可微分且在 点(x 0, y 0 )处有极值,则 f 'x (x 0,y 0) 0, f 'y (x 0, y 0) 0,即 (x 0,y 0) 是驻点。 (3) 二元函数取得极值的 充分条件 :设 z f (x,y) 在(x 0,y 0) 的某个领域内有 连续上 二阶偏导数,且 f 'x (x 0,y 0) f 'y (x 0, y 0) 0 ,令 f'xx (x 0,y 0) A , f'xy (x 0,y 0) B , f 'yy (x 0,y 0) C ,则 当B 2 AC 0且 A<0 时, f ( x 0 , y 0 )为极大值; 当B 2 AC 0且 A>0, f ( x 0 , y 0 )为极小值; B 2 AC 0 时,(x 0, y 0) 不是极值点。 注意: 当 B 2-AC = 0时,函数 z = f (x, y)在点( x 0 , y 0 )可能有极值,也可能没有 极值,需另行讨论 例 1 求函数 z = x 3 + y 2 - 2xy 的极值. 【分析】可能极值点是两个一阶偏导数为零的点, 先求出一阶偏导, 再令其为零 确定极值点即可, 然后用二阶偏导确定是极大值还是极小值, 【解】先求函数的一、二阶偏导数: 并求出相应的极值 . 2 z 2 z z 3x 2y , 2y 2x . 2 6x , x y x 2 z xy 2 z 2 y 2 再求函数的驻点.令 z = 0, x 得方程组 2 3x 2y 0, 2y 2x 0.

二元函数极值问题

浅谈二元函数的极值问题 摘 要:本文首先给出二元函数极值的定义,实例分析了二元函数极值存在的必要条件和充分条件,并通过实例解析了求二元函数极值的步骤. 关键词:二元函数; 极值;必要条件;充分条件 To discuss the extreme-value problem of the binary function shallowly Abstract : In this paper, the definition and conditions of the extreme of binary function are firstly given, on the basis, steps of finding the extreme value are discussed, and specific examples of relevant to this are given to expound them. Key words: binary function; extreme; necessary condition; sufficient condition 前言 函数极值在数学、工程、金融风险管理等多领域都有广泛应用,本文以二元函数为例,讨论函数极值的若干方面问题. 1. 预备知识 定义 设函数f 在点00(,)x y 0p 的某领域0()U p 内有定义,若对于任意点 0(,)()p x y U p ∈,成立不等式 0()()f p f p ≤ (或0()()f p f p ≥) , 则称函数f 在点0p 取得极大(或极小)值,点0p 称为f 的极大(或极小)值点,极大值、极小值统称极值,极大值点、极小值点统称极值点. 注意:这里所讨论的极值点仅限于定义域的内点.

多元函数的条件极值和拉格朗日乘数法

多元函数的条件极值和拉格朗日乘数法 、条件极值、拉格朗日乘数法 1. 转化为无条件极值 在讨论多元函数极值问题时,如果遇到除了在定义域中寻求驻点(可能的极值点)外,对自变量再无别的限制条件,我们称这类问题为函数的无条件极值。如求的极值,就是无条件极值问题。 然而在实际中,我们也会遇到另一类问题。比如,讨论表面积为的长方体的最大体积问题。若设长方体的三度为 , 则体积,同时应满足 于是我们的问题的数学含义就是:当自变量 满足条件 下取何值时能使函数 取得最大值。(这里我们暂不论证指出这个最大值就是极大值)。 一般抽象出来,可表为如下形式:

即函数在条件 下的取极大(小)值问题。今后,我们称这种问题为 函数的条件极值问题。对自变量有附加条件的极值称为条件极值。一般称为目标函数, 为约束条件 ( 或约束方程) 。 对于有些实际问题, 可以把条件极值问题化为无条件极值问题。 例如上述问题, 由条件, 解得, 于是得V . 只需求V 的无条件极值问题。 例6 求函数在约束条件 下的条件极值。解由约束条件可解出 代入目标函数,有:令 得驻点

由于当时, ,当时,在 时取极大值,又当时,由约束条件可解出 , 而,此例说明条件极值可有如下一种解法:如果能从约束方程中解出一个自变量,代入目标函数后,就可转化为无条件极值。 通过讨论无条件极值可得问题的解答。但在很多实际问题中,往往不容易从约束条件中解出一个自变量,从而上述方法就失效了。因此,对条件极值我们应讨论一般解法。 2. 关于条件极值的拉格朗日乘数法 在很多情形下, 将条件极值化为无条件极值并不容易。需要另一种求条件极值的专用方法, 这就是拉格朗日乘数法。 拉格朗日乘数法:要找函数z = f ( x , y ) 在条件j ( x , y ) = 0 下的可能极值点, 可以先构成辅助函数F ( x , y ) = f ( x , y ) + lj ( x , y

二元函数的极值及其应用

郑州航空工业管理学院 毕业论文(设计) 2015 届数学与应用数学专业 1111061 班级 题目二元函数的极值及其应用 姓名 XXX 学号 XXXXXXX 指导教师 XXX 职称 XXX 二О一五年四月三十日 内容摘要 二元函数理论是其他学科的基础,其中极值是函数中的重要内容,对极值也有很多研究方法,并且函数极值的理论有很多在生活中都有实际意义。无论是在科学研究,还是在物流,实际规划工程,通常要解决如何使投资量输出最大,产出最多,最高效率优化。这些实际问题都可以转化为一个数学问题来研究,进而转化为函数的极大值、极小值问题的解决。在本文中,首先给出的是二元函数的研究背景及现实意义,之后给出二元函数的非条件极值理论,二元函数条件极值理论,二元函数极值的判定,以及二元函数极值的理论应用举例。通过实例中的极值问题,说明所利用知识在求解二元函数极值问题中的重要应用。 关键词 二元函数;无条件极值;条件极值;判定;应用

the Extreme Value of Binary Function and Its Application XXXXXX By:XXXX Tutor: XXXXX Abstract Dual function theory is the foundation of other disciplines, including extreme value is an important content in function, the extreme value also has a lot of research methods, and the function extreme value theory has a lot in life has practical significance. Both in scientific research, and in the logistics, the actual planning engineering, often need to solve how to make the investment to maximum output, output the most, the highest efficiency optimization.The actual problem can be transformed into a math problem research capabilities, And then into the function of the maximum and minimum value problem to solve. Is first of all, the paper proposes the research background and practical significance of binary function, then give the unconditional extreme value of binary function theory, the conditions of binary function extreme value theory, extreme value of binary function determination, as well as the extreme value of binary function theory application, for example. Illustrated by an example of extreme value problem, using the knowledge in solving the important application of binary function extremum problems. Key words

MATLAB多元函数极值

多元函数的极值 【实验目的】 1. 多元函数偏导数的求法。 2. 多元函数自由极值的求法 3. 多元函数条件极值的求法. 4. 学习掌握MATLAB 软件有关的命令。 【实验内容】 求函数3282 4 -+-=y xy x z 的极值点和极值 【实验准备】 1.计算多元函数的自由极值 对于多元函数的自由极值问题,根据多元函数极值的必要和充分条件,可分为以下几个步骤: 步骤1.定义多元函数),(y x f z = 步骤2.求解正规方程0),(,0),(==y x f y x f y x ,得到驻点 步骤3.对于每一个驻点),(00y x ,求出二阶偏导数,,,2222 2y z C y x z B x z A ??=???=??= 步骤4. 对于每一个驻点),(00y x ,计算判别式2 B A C -,如果02 >-B AC ,则该驻点是极值点,当0>A 为极小值, 0

MATLAB 中主要用diff 求函数的偏导数,用jacobian 求Jacobian 矩阵。 可以用help diff, help jacobian 查阅有关这些命令的详细信息 【实验方法与步骤】 练习1 求函数3282 4 -+-=y xy x z 的极值点和极值.首先用diff 命令求z 关于x,y 的偏导数 >>clear; syms x y; >>z=x^4-8*x*y+2*y^2-3; >>diff(z,x) >>diff(z,y) 结果为 ans =4*x^3-8*y ans =-8*x+4*y 即 .48,843y x y z y x x z +-=??-=??再求解正规方程,求得各驻点的坐标。一般方程组的符号解用solve 命令,当方程组不存在符号解时,solve 将给出数值解。求解正规方程的MATLAB 代码为: >>clear; >>[x,y]=solve('4*x^3-8*y=0','-8*x+4*y=0','x','y') 结果有三个驻点,分别是P(-2,-4),Q(0,0),R(2,4).下面再求判别式中的二阶偏导数: >>clear; syms x y; >>z=x^4-8*x*y+2*y^2-3; >>A=diff(z,x,2) >>B=diff(diff(z,x),y) >>C=diff(z,y,2) 结果为 A=2*x^2 B =-8 C =4 由判别法可知)2,4(--P 和)2,4(Q 都是函数的极小值点,而点Q(0,0)不是极值点,实际上, )2,4(--P 和)2,4(Q 是函数的最小值点。当然,我们可以通过画函数图形来观测极值点与鞍 点。 >>clear; >>x=-5:0.2:5; y=-5:0.2:5; >>[X,Y]=meshgrid(x,y);

二元函数的极值与最值解读

二元函数的极值与最值解读

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二元函数的极值与最值 二元函数的极值与最值问题已成为近年考研的重点,现对二元函数的极值与最值的求法总结如下: 1.二元函数的无条件极值 (1) 二元函数的极值一定在驻点和不可导点取得。对于不可导点,难以判断是否是极值点;对于驻点可用极值的充分条件判定。 (2)二元函数取得极值的必要条件: 设),(y x f z =在点),(00y x 处可微分且在点),(00y x 处有极值,则0),('00=y x f x ,0),('00=y x f y ,即),(00y x 是驻点。 (3) 二元函数取得极值的充分条件:设),(y x f z =在),(00y x 的某个领域内有连续上二阶偏导数,且=),('00y x f x 0),('00=y x f y ,令A y x f xx =),('00, B y x f xy =),('00, C y x f yy =),('00,则 当02<-AC B 且 A<0时,f ),(00y x 为极大值; 当02<-AC B 且A>0,f ),(00y x 为极小值; 02>-AC B 时,),(00y x 不是极值点。 注意: 当B 2-AC = 0时,函数z = f (x, y)在点),(00y x 可能有极值,也可能没有极值,需另行讨论 例1 求函数z = x 3 + y 2 -2xy 的极值. 【分析】可能极值点是两个一阶偏导数为零的点,先求出一阶偏导,再令其为零确定极值点即可,然后用二阶偏导确定是极大值还是极小值,并求出相应的极值. 【解】先求函数的一、二阶偏导数: y x x z 232 -=??,x y y z 22-=??.x x z 622=??, 22-=???y x z , 22 2=??y z . 再求函数的驻点.令x z ??= 0,y z ??= 0,得方程组???=-=-.022,0232x y y x 求得驻点(0,0)、),(3 2 32. 利用定理2对驻点进行讨论:

最新多元函数求极值(拉格朗日乘数法)

最新多元函数求极值(拉格朗日乘数法) 教学目的:了解多元函数极值的定义,熟练掌握多元函数无条件极值存在的判定 方法、求极值方法,并能够解决实际问题。熟练使用拉格朗日乘数法 求条件极值。 教学重点:多元函数极值的求法。 教学难点:利用拉格朗日乘数法求条件极值。 教学内容: 一、 多元函数的极值及最大值、最小值 定义 设函数),(y x f z =在点),(00y x 的某个邻域内有定义,对于该邻域内异于),(00y x 的点,如果都适合不等式 00(,)(,)f x y f x y <, 则称函数(,)f x y 在点),(00y x 有极大值00(,)f x y 。如果都适合不等式 ),(),(00y x f y x f >, 则称函数(,)f x y 在点),(00y x 有极小值),(00y x f .极大值、极小值统称为极值。使函数取得极值的点称为极值点。 例1 函数2243y x z +=在点(0,0)处有极小值。因为对于点(0,0)的任 一邻域内异于(0,0)的点,函数值都为正,而在点(0,0)处的函数值为零。从 几何上看这是显然的,因为点(0,0,0)是开口朝上的椭圆抛物面 2243y x z +=的顶点。

例2 函数22y x z +-=在点(0,0)处有极大值。因为在点(0,0)处函 数值为零,而对于点(0,0)的任一邻域内异于(0,0)的点,函数值都为负, 点(0,0,0)是位于xOy 平面下方的锥面22y x z +-=的顶点。 例3 函数xy z =在点(0,0)处既不取得极大值也不取得极小值。因为在点(0,0)处的函数值为零,而在点(0,0)的任一邻域内,总有使函数值为正的点,也有使函数值为负的点。 定理1(必要条件) 设函数),(y x f z =在点),(00y x 具有偏导数,且在点),(00y x 处有极值,则它在该点的偏导数必然为零: 证 不妨设),(y x f z =在点),(00y x 处有极大值。依极大值的定义,在点),(00y x 的某邻域内异于),(00y x 的点都适合不等式 特殊地,在该邻域内取0y y =,而0x x ≠的点,也应适合不等式 这表明一元函数f ),(0y x 在0x x =处取得极大值,因此必有 类似地可证 从几何上看,这时如果曲面),(y x f z =在点),,(000z y x 处有切平面,则切平面 成为平行于xOy 坐标面的平面00=-z z 。 仿照一元函数,凡是能使0),(,0),(==y x f y x f y x 同时成立的点),(00y x 称为 函数),(y x f z =的驻点,从定理1可知,具有偏导数的函数的极值点必定是驻点。

一个带约束条件的二元函数最值的求法(四)

一个带约束条件的二元函数最值的求法 江苏省东海县白塔高级中学 陈大连 邮编 222345 电话 近年来高考与各地的模拟考试中悄然出现一种平时练习中不太常见的数学问题——求带约束条件的二元函数最大值或最小值,这种问题因条件与目标函数的不同其解法也往往不同.本文将给出一道典型小题的多种解法并对解法加以说明,以帮助读者能够迅速解决这种问题并增强解题的灵活性. 问题(2015届江苏省宿迁市高三一模第 9题)已知实数,x y 满足221x xy y -+=,则 x y +的最大值为 . 解法1 令x y t +=,则y t x =-,将其代入条件得,22()()1x x t x t x --+-=,整理,得223310x tx t -+-=.令22(3)43(1)0t t ?=--?-≥,解得22t -≤≤.当2 2 2,1 x y x xy y +=?? -+=?即 1x y ==时右边的等号成立,所以t =x y +的最大值为2. 注 此解法对目标函数整体换元,然后将条件化为关于某个变元的一元二次方程,依据其判别式的非负性得到目标函数的最值,其中“可将条件化为关于某个变元的一元二次方程”是此解法得以成功的关键所在.需要提醒的是在得到22t -≤≤时要注意检查等号成立的条件. 解法2 由221x xy y -+=配方,得2()31x y xy +-=,再由基本不等式,得 22()1313( )2x y x y xy ++=+≤+,即22 ()13()2 x y x y ++≤+,解得2()4x y +≤,即22x y -≤+≤,从而2x y +≤.当1x y ==时等号成立,所以x y +的最大值为2. 注 由于约束条件为二元二次方程,我们可以考虑对其配方,但配方的途径有很多,上解法注意结合目标函数配方,并运用基本不等式,构造出一个关于目标函数式x y +的不等式,通过解不等式求出函数的最值,这种构造不等式求最值或范围是常见的思路. 解法3 由221x xy y -+=配方,得22 3()124 y x y -+=. 令cos sin 2y x y αα-==, 则 32y α= ,3 ()cos 22 y x y αα-++ ,即cos x y αα+=+ 2sin()26πα=+≤.易见当3 π α=时等号成立,所以所求的最大值为2. 注 由于221x xy y -+=的左边是一个非负式子,可以配方成两个式子的平方和,为三角换元创造条件. 解法4 由解法3知等式条件可配方为22 3()124 y x y -+ =. 令2y x s y t -==,则条件化为221s t += ,目标函数x y s +=+. 由线性规划知识,当动直线s P +=与圆 221s t +=相切时P 1=,解得2P =±,其

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