(条件极值)多元函数的极值与拉格朗日乘数法(精品).ppt

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1、多元函数的极值和最值多元函数的极值和最值条件极值条件极值 拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法小结小结 思考题思考题 作业作业第八节第八节 多元函数的极值与多元函数的极值与 拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法第八章第八章 多元函数微分法及其应用多元函数微分法及其应用1一、多元函数的极值和最值一、多元函数的极值和最值1.极大值和极小值的定义极大值和极小值的定义一元函数的极值一元函数的极值的定义的定义:是在一点是在一点附近附近将函数值比大小将函数值比大小.定义定义点点P0为函数的为函数的极大值点极大值点.类似可定义极小值点和极小值类似可定义极小值点和极小值.设在点设在点P0的某个邻域的某个邻域,为为极大值极大值

2、.则称则称多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法2 注注 函数的极大值与极小值统称为函数的函数的极大值与极小值统称为函数的 函数的极大值点与极小值点统称为函数的函数的极大值点与极小值点统称为函数的多元函数的极值也是多元函数的极值也是局部的局部的,一般来说一般来说:极大值未必是函数的最大值极大值未必是函数的最大值.极小值未必是函数的最小值极小值未必是函数的最小值.有时有时,极值极值.极值点极值点.内的值比较内的值比较.是与是与P0的邻域的邻域极小值可能比极大值还大极小值可能比极大值还大.多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法3例例例例例例 函数函数 存

3、在极值存在极值,在在(0,0)点取极小点取极小值值.在在(0,0)点取极大值点取极大值.(也是最大值也是最大值).在在(0,0)点无极值点无极值.椭圆抛物面椭圆抛物面下半个圆锥面下半个圆锥面马鞍面马鞍面在简单的情形下是在简单的情形下是容易判断的容易判断的.函数函数函数函数(也是最小值也是最小值).函数函数多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法42.极值的必要条件极值的必要条件证证定理定理1 1(必要条件必要条件)则它在该则它在该点的偏导数必然为零点的偏导数必然为零:有极大值有极大值,不妨设不妨设都有都有多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法说明一元函

4、数说明一元函数有极大值有极大值,必有必有类似地可证类似地可证5推广推广 如果三元函数如果三元函数具有偏导数具有偏导数,则它在则它在有极值的有极值的必要条件必要条件为为多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法均称为函数的均称为函数的驻点驻点极值点极值点仿照一元函数仿照一元函数,凡能使凡能使一阶偏导数一阶偏导数同时为零的同时为零的点点,驻点驻点.如何判定一个驻点是否为极值点如何判定一个驻点是否为极值点如如,驻点驻点,但不是极值点但不是极值点.注注63.极值的充分条件极值的充分条件定理定理2 2(充分条件充分条件)的的某邻域内连续某邻域内连续,有一阶及二阶有一阶及二阶连续偏导数连

5、续偏导数,处处是否取得极值的条件如下是否取得极值的条件如下:(1)有极值有极值,有极大值有极大值,有极小值有极小值;(2)没有极值没有极值;(3)可能有极值可能有极值,也可能无极值也可能无极值.多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法7求函数求函数 极值的一般步骤极值的一般步骤:第一步第一步解方程组解方程组求出实数解求出实数解,得得驻点驻点.第二步第二步 对于每一个驻点对于每一个驻点求出二阶偏导数的值求出二阶偏导数的值第三步第三步 定出定出的的符号符号,再判定是否是极值再判定是否是极值.多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法8例例 解解又又在点在点(0

6、,0)处处,在点在点(a,a)处处,故故故故即即的极值的极值.在在(0,0)无极值无极值;在在(a,a)有极大值有极大值,多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法9解解求由方程求由方程将将方程两边分别对方程两边分别对x,y求偏导数求偏导数,由函数取极值的必要条件知由函数取极值的必要条件知,驻点为驻点为将将上方程组再分别对上方程组再分别对x,y求偏导数求偏导数,多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法法一法一10故故函数在函数在P有极值有极值.代入原代入原方程方程,为极小值为极小值;为极大值为极大值.多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘

7、数法所以所以所以所以11求由方程求由方程多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法解解 法二法二 配方法配方法 方程可变形为方程可变形为 于是于是 显然显然,根号中的极大值为根号中的极大值为4,由由可知可知,为极值为极值.即即为极大值为极大值,为极小值为极小值.12取得取得.然而然而,如函数在个别点处的如函数在个别点处的偏导数不存在偏导数不存在,这些点当然不是驻点这些点当然不是驻点,如如:函数函数不存在不存在,但函数在点但函数在点(0,0)处都具有极大值处都具有极大值.在研究函数的极值时在研究函数的极值时,除研究函数的驻点外除研究函数的驻点外,还应研究还应研究偏导数不存在的点

8、偏导数不存在的点.注注由由极值的必要条件知极值的必要条件知,极值只可能在驻点处极值只可能在驻点处但但也可能是极也可能是极值值点点.在点在点(0,0)处的偏导数处的偏导数多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法13多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法2003年考研数学年考研数学(一一),4分分选择题选择题已知函数已知函数f(x,y)在点在点(0,0)的某个邻域内连续的某个邻域内连续,则则(A)点点(0,0)不是不是f(x,y)的极值的极值点点.(B)点点(0,0)是是f(x,y)的极大值的极大值点点.(C)点点(0,0)是是f(x,y)的极小值的极小值

9、点点.(D)根据所给条件无法判断点根据所给条件无法判断点(0,0)是否为是否为f(x,y)的极值点的极值点.14其中最大者即为最大值其中最大者即为最大值,与一元函数相类似与一元函数相类似,可利用函数的极值来可利用函数的极值来求函数的最大值和最小值求函数的最大值和最小值.4.多元函数的最值多元函数的最值求最值的一般方法求最值的一般方法最小者即为最小值最小者即为最小值.将函数将函数在在D内内的所有嫌疑点的函数值及的所有嫌疑点的函数值及在在D的边界上的最大值和最小值相互比较的边界上的最大值和最小值相互比较,多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法15解解(1)求函数求函数在在D内

10、内的驻点的驻点 由于由于所以函数在所以函数在D内无极值内无极值.(2)求函数在求函数在 D边界上的最值边界上的最值(现现最值只能在边界上最值只能在边界上)围成的三角形闭域围成的三角形闭域D上的上的最大最大(小小)值值.例例多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法D16在边界线在边界线在边界线在边界线由于由于最小最小,由于由于又在端点又在端点(1,0)处处,所以所以,最大最大.有驻点有驻点 函数值函数值有有单调上升单调上升.多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法D17在边界线在边界线所以所以,最值在端点处最值在端点处.由于由于 函数单调下降函数单调下降,

11、(3)比较比较多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法D18解解此时此时的的最大值与最小值最大值与最小值.驻点驻点得得多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法上上在在求求4:94),(2222+=yxDyxyxf19对自变量有附加条件的极值对自变量有附加条件的极值.其他条件其他条件.无条件极值无条件极值对自变量除了限制在定义域内外对自变量除了限制在定义域内外,并无并无条件极值条件极值多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法二、条件极值二、条件极值 拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法20解解例例 已知长方体长宽高的和为已知长方体长宽高的和为1

12、8,问长、宽、高问长、宽、高各取什么值时长方体的体积最大？各取什么值时长方体的体积最大？设长方体的长、宽、高分别为设长方体的长、宽、高分别为由由题意题意长方体的体积为长方体的体积为多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法且长方体体积且长方体体积一定有最大值一定有最大值,体体积最大体体积最大.故当的长、宽、高都为故当的长、宽、高都为6时长方时长方由于由于V在在D内只有一个驻点内只有一个驻点,21上例的上例的极值问题也可以看成是求三元函数极值问题也可以看成是求三元函数的极值的极值,要要受到条件受到条件的限制的限制,这便是一个条件极值这便是一个条件极值问题问题.目标函数目标函数约

13、束条件约束条件多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法 有时有时条件极值条件极值目标函数中化为目标函数中化为无条件极值无条件极值.可通过将约束条件代入可通过将约束条件代入但在一般情形但在一般情形甚至是不可能的甚至是不可能的.下面要介绍解决下面要介绍解决条件极值条件极值问题的一般问题的一般方法方法:下下,这样做是有困难的这样做是有困难的,拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法22拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法:现要寻求目标函数现要寻求目标函数在约束条件在约束条件 下取得下取得利用隐函数的概念与求导法利用隐函数的概念与求导法 如函数如函数(1)在在由条件由条件(1)(2)极值的必要条件极值

14、的必要条件.取得所求的极值取得所求的极值,那末首先有那末首先有(3)确定确定y是是x的隐函数的隐函数多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法 不必将它真的解出来不必将它真的解出来,则则于是函数于是函数(1)即即,取得所取得所取得极值取得极值.求的极值求的极值.),(,(xyxfz=23其中其中代入代入(4)得得:由由一元可导函数取得极值的必要条件一元可导函数取得极值的必要条件知知:(4)多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法取得极值取得极值.在在(3),(5)两两式式取得极值的必要条件取得极值的必要条件.就是函数就是函数(1)在条件在条件(2)下下的的

15、)(,(xyxfz=24 设设上述必要条件变为上述必要条件变为:(6)中的前两式的左边正是函数中的前两式的左边正是函数:(6)多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法的两个一阶偏导数在的两个一阶偏导数在的值的值.函数函数称为称为拉格朗日函数拉格朗日函数,称为称为拉格朗日乘子拉格朗日乘子,是一个待定常数是一个待定常数.25拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法:极值的必要条件极值的必要条件在条件在条件要找函数要找函数下的可能极值点下的可能极值点,先构造函数先构造函数为某一常数为某一常数,其中其中可由可由解出解出其中其中就是就是可能的可能的极值点的坐标极值点的坐标.多元函数的极值与拉格朗

16、日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法26如何确定所求得的点如何确定所求得的点实际问题中实际问题中,非实际问题我们这里不做进一步的讨论非实际问题我们这里不做进一步的讨论.拉格朗日乘数法可推广拉格朗日乘数法可推广:判定判定.可根据问题本身的性质来可根据问题本身的性质来的情况的情况.自变量多于两个自变量多于两个是否为极值点是否为极值点多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法27解解则则又是实际问题又是实际问题,解得解得唯一驻点唯一驻点一定存在最值一定存在最值.令令此题是否也可化为无条件极值做此题是否也可化为无条件极值做多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法

17、28解解为椭球面上的一点为椭球面上的一点,令令则则的的切平面方程为切平面方程为在第一卦限内作椭球面在第一卦限内作椭球面的的使切平面与三个坐标面所围成的使切平面与三个坐标面所围成的例例切平面切平面,四面体体积最小四面体体积最小,求切点坐标求切点坐标.多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法29目标函数目标函数该该切平面在三个轴上的截距切平面在三个轴上的截距各为各为化简为化简为所求四面体的体积所求四面体的体积约束条件约束条件在在条件条件下求下求V 的最小值的最小值,多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法30约束条件约束条件令令由由目标函数目标函数多元函数的

18、极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法31可得可得即即当当切点坐标为切点坐标为四面体的体积最小四面体的体积最小多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法32解解为简化计算为简化计算,令令是是曲面上的点曲面上的点,它与已知点的距离为它与已知点的距离为问题化为在问题化为在下求下求的的最小值最小值.目标函数目标函数约束条件约束条件多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法33设设(1)(2)(3)(4)多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法34由于问题确实存在最小值，由于问题确实存在最小值，故故得得唯一驻点唯一驻点多元函数的极值与

19、拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法还有别的简单方法吗还有别的简单方法吗用几何法用几何法!35解解 为此作为此作拉格朗日乘函数拉格朗日乘函数:上的上的最大值与最小值最大值与最小值.在在圆内圆内的可能的极值点的可能的极值点;在在圆上圆上的最大、最小值的最大、最小值.多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法9)2()2(2222-+-+=yxyxz在圆在圆求函数求函数36最大值为最大值为最小值为最小值为多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法 9)2()2(),(2222-+-+=yxyxyxLl l22yxz+=函数函数上，上，在圆在圆9)2()2

20、(22-+-yx37多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法2002年考研数学年考研数学(一一),7分分 设有一小山设有一小山,取它的底面所在的平面为取它的底面所在的平面为xOy坐标坐标面面,其底部所占的区域为其底部所占的区域为 小山的高度函数为小山的高度函数为 (1)设设M(x0,y0)为区域为区域D上一点上一点,问问h(x,y)在该在该点沿平面上什么方向的方向导数最大点沿平面上什么方向的方向导数最大?若记此方向导数若记此方向导数的最大值为的最大值为g(x0,y0),试写出试写出g(x0,y0)的表达式的表达式.(2)现欲利用此小山开展攀岩活动现欲利用此小山开展攀岩活动,

21、为此需要在为此需要在山脚寻找一上山坡度最大的点作为攀登的起点山脚寻找一上山坡度最大的点作为攀登的起点.是说是说,要在要在D的边界线的边界线上找出使上找出使(1)中中的的g(x,y)达到最大值的点达到最大值的点.试确定攀岩起点的位置试确定攀岩起点的位置.也就也就38多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法解解(1)由梯度的几何意义知由梯度的几何意义知,方向的方向导数最大方向的方向导数最大,h(x,y)在点在点M(x0,y0)处沿梯度处沿梯度方向导数的最大值为该方向导数的最大值为该梯度的模梯度的模,所以所以(2)令令由题意由题意,只需求只需求在约束条件在约束条件下的最大值点下的

22、最大值点.令令39多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法则则(1)(2)(3)(1)+(2):从而得从而得由由(1)得得再由再由(3)得得由由(3)得得于是得到于是得到4个可能的极大值点个可能的极大值点可作为攀登的起点可作为攀登的起点.40多元函数极值的概念多元函数极值的概念条件极值条件极值 拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法多元函数多元函数取得极值的必要条件、充分条件取得极值的必要条件、充分条件多元函数最值的概念多元函数最值的概念多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法三、小结三、小结(上述问题均可与一元函数类比上述问题均可与一元函数类比)41多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法思考题思考题答答不一定不一定.二元函数二元函数在点在点处有极值处有极值(不妨设为极小值不妨设为极小值),是指存在是指存在当点当点且且沿任何曲线趋向于沿任何曲线趋向于一元函数一元函数在点在点 x0处取得有极小值处取得有极小值,表示动点表示动点且且沿直线沿直线42多元函数的极值与拉格朗日乘数法多元函数的极值与拉格朗日乘数法并沿该直线并沿该直线(即沿平行于即沿平行于Ox轴的正负轴的正负方向方向)趋向于趋向于它们的关系是它们的关系是:在点在点取得极大取得极大(小小)值值取得极大取得极大(小小)值值.43