高數(shù)D77極值與最值.ppt

,第七章,第七節(jié),一、多元函數(shù)的極值,二、條件極值、拉格朗日乘數(shù)法,多元函數(shù)的極值及其求法,一、 多元函數(shù)的極值,定義7.7.1: 若函數(shù),則稱函數(shù)在該點(diǎn)取得極大值(極小值).,例如 :,在點(diǎn) (0,0) 有極小值;,在點(diǎn) (0,0) 有極大值;,在點(diǎn) (0,0) 無(wú)極值.,極大值和極小值,統(tǒng)稱為極值,使函數(shù)取得極值的點(diǎn)稱為極值點(diǎn).,的某鄰域內(nèi)有,1、多元函數(shù)取得極值的充分和必要條件,說(shuō)明: 使偏導(dǎo)數(shù)都為 0 的點(diǎn)稱為駐點(diǎn) .,例如,定理7.7.1 (必要條件),函數(shù),偏導(dǎo)數(shù),證:,據(jù)一元函數(shù)極值的必要條件可知定理結(jié)論成立.,取得極值 ,取得極值,取得極值,但駐點(diǎn)不一定是極值點(diǎn).,有駐點(diǎn)( 0, 0 ),但在該點(diǎn)不取極值.,且在該點(diǎn)取得極值 ,則有,存在,故,時(shí), 具有極值,定理7.2.2 (充分條件),的某鄰域內(nèi)具有一階和二階連續(xù)偏導(dǎo)數(shù), 且,令,則: 1) 當(dāng),A0 時(shí)取極大值;,A0 時(shí)取極小值.,2) 當(dāng),3) 當(dāng),證明見(jiàn)附錄7.11.3.,時(shí), 沒(méi)有極值.,時(shí), 不能確定 , 需另行討論.,若函數(shù),例1.,求函數(shù),解: 第一步 求駐點(diǎn).,得駐點(diǎn): (1, 0) , (1, 2) , (3, 0) , (3, 2) .,第二步 判別.,在點(diǎn)(1,0) 處,為極小值;,解方程組,的極值.,求二階偏導(dǎo)數(shù),在點(diǎn)(3,0) 處,不是極值;,在點(diǎn)(3,2) 處,為極大值.,在點(diǎn)(1,2) 處,不是極值;,例2.,解：,令,由,得,代入原方程得,可能的極值點(diǎn),利用隱函數(shù)高階偏導(dǎo)數(shù)的求法,在 處，,所以,且,故,在 處，同樣有,且,故,例3.討論函數(shù),及,是否取得極值.,解: 顯然 (0,0) 都是它們的駐點(diǎn) ,在(0,0)點(diǎn)鄰域內(nèi)的取值, 因此 z(0,0) 不是極值.,因此,為極小值.,正,負(fù),0,在點(diǎn)(0,0),并且在 (0,0) 都有,可能為,2、最值應(yīng)用問(wèn)題,函數(shù) f 在閉域上連續(xù),函數(shù) f 在閉域上可達(dá)到最值,最值可能點(diǎn),駐點(diǎn),邊界上的最值點(diǎn),特別, 當(dāng)區(qū)域內(nèi)部最值存在, 且只有一個(gè)極值點(diǎn)P 時(shí),為極小 值,為最小 值,(大),(大),依據(jù),例4.,解: 設(shè)水箱長(zhǎng),寬分別為 x , y m ,則高為,則水箱所用材料的面積為,令,得駐點(diǎn),某廠要用鐵板做一個(gè)體積為2,根據(jù)實(shí)際問(wèn)題可知最小值在定義域內(nèi)應(yīng)存在,的有蓋長(zhǎng)方體水箱,問(wèn)當(dāng)長(zhǎng)、寬、高各取怎樣的尺寸時(shí), 才能使用料最省?,因此可,斷定此唯一駐點(diǎn)就是最小值點(diǎn).,即當(dāng)長(zhǎng)、寬均為,高為,時(shí), 水箱所用材料最省.,例5. 有一寬為 24cm 的長(zhǎng)方形鐵板 ,把它折起來(lái)做成,解: 設(shè)折起來(lái)的邊長(zhǎng)為 x cm,則斷面面積,一個(gè)斷面為等腰梯形的水槽,傾角為 ,積最大.,為,問(wèn)怎樣折法才能使斷面面,令,解得:,由題意知,最大值在定義域D 內(nèi)達(dá)到,而在域D 內(nèi)只有,一個(gè)駐點(diǎn),故此點(diǎn)即為所求.,二、條件極值,極值問(wèn)題,無(wú)條件極值:,條 件 極 值 :,條件極值的求法:,方法1 代入法.,求一元函數(shù),的無(wú)條件極值問(wèn)題,對(duì)自變量只有定義域限制,對(duì)自變量除定義域限制外,還有其它條件限制,例如 ,方法2 拉格朗日乘數(shù)法.,如方法 1 所述 ,則問(wèn)題等價(jià)于一元函數(shù),可確定隱函數(shù),的極值問(wèn)題,極值點(diǎn)必滿足,設(shè),記,例如,故,故有,引入輔助函數(shù),輔助函數(shù)F 稱為拉格朗日( Lagrange )函數(shù).,利用拉格,極值點(diǎn)必滿足,則極值點(diǎn)滿足:,朗日函數(shù)求極值的方法稱為拉格朗日乘數(shù)法.,推廣,拉格朗日乘數(shù)法可推廣到多個(gè)自變量和多個(gè)約束條件的情形.,設(shè),解方程組,可得到條件極值的可能點(diǎn) .,例如, 求函數(shù),下的極值.,在條件,例 6.,求原點(diǎn)到曲面 的最短距離.,解：,已知曲面 上任一點(diǎn),到原點(diǎn)的距離,令,用拉格朗日乘數(shù)法，作輔助函數(shù),由方程組,解得,其中 及 為可能的條件極值點(diǎn)，,且,根據(jù)題意，最短距離存在，因此所求最短距離為,例7.,要設(shè)計(jì)一個(gè)容量為,則問(wèn)題為求x , y ,令,解方程組,解: 設(shè) x , y , z 分別表示長(zhǎng)、寬、高,下水箱表面積,最小.,z 使在條件,水箱長(zhǎng)、寬、高等于多少時(shí)所用材料最??？,的長(zhǎng)方體開(kāi)口水箱, 試問(wèn),得唯一駐點(diǎn),由題意可知合理的設(shè)計(jì)是存在的,長(zhǎng)、寬為高的 2 倍時(shí)，所用材料最省.,因此 , 當(dāng)高為,思考:,1) 當(dāng)水箱封閉時(shí), 長(zhǎng)、寬、高的尺寸如何?,提示: 利用對(duì)稱性可知,2) 當(dāng)開(kāi)口水箱底部的造價(jià)為側(cè)面的二倍時(shí), 欲使造價(jià),最省, 應(yīng)如何設(shè)拉格朗日函數(shù)? 長(zhǎng)、寬、高尺寸如何?,提示:,長(zhǎng)、寬、高尺寸相等 .,例 8.,求函數(shù) 在區(qū)域,上的最大和最小值.,解：,先討論 在 內(nèi)的極值點(diǎn)，由,得 在 內(nèi)的駐點(diǎn)為,且,記,則函數(shù) 在邊界 上,作輔助函數(shù),由方程組,解得,且,最小值為,內(nèi)容小結(jié),1. 函數(shù)的極值問(wèn)題,第一步 利用必要條件在定義域內(nèi)找駐點(diǎn).,即解方程組,第二步 利用充分條件 判別駐點(diǎn)是否為極值點(diǎn) .,2. 函數(shù)的條件極值問(wèn)題,(1) 簡(jiǎn)單問(wèn)題用代入法,如對(duì)二元函數(shù),(2) 一般問(wèn)題用拉格朗日乘數(shù)法,設(shè)拉格朗日函數(shù),如求二元函數(shù),下的極值,解方程組,第二步 判別, 比較駐點(diǎn)及邊界點(diǎn)上函數(shù)值的大小, 根據(jù)問(wèn)題的實(shí)際意義確定最值,第一步 找目標(biāo)函數(shù), 確定定義域 ( 及約束條件),3. 函數(shù)的最值問(wèn)題,在條件,求駐點(diǎn) .,求 z= x3+y3 在D：x2+y21 上的最大值和最小值。,思考與練習(xí),最大值為1，最小值為1,已知平面上兩定點(diǎn) A( 1 , 3 ), B( 4 , 2 ),試在橢圓,圓周上求一點(diǎn) C, 使,ABC 面積 S最大.,解答提示:,設(shè) C 點(diǎn)坐標(biāo)為 (x , y),思考與練習(xí),則,設(shè)拉格朗日函數(shù),解方程組,得駐點(diǎn),對(duì)應(yīng)面積,而,比較可知, 點(diǎn) C 與 E 重合時(shí), 三角形,面積最大.,點(diǎn)擊圖中任意點(diǎn) 動(dòng)畫開(kāi)始或暫停,備用題 1. 求半徑為R 的圓的內(nèi)接三角形中面積最大者.,解: 設(shè)內(nèi)接三角形各邊所對(duì)的圓心角為 x , y , z ,則