高等数学课件D9-5-1极值.ppt

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1、 第九章 第五节 一、多元函数的极值一、多元函数的极值 二、最值应用问题二、最值应用问题三、条件极值三、条件极值机动 目录 上页 下页 返回 结束 极 值4/22/2023高等数学课件一、一、多元函数的极值多元函数的极值 定义定义:若函数则称函数在该点取得极大值(极小值).例如例如: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.的某邻域内有机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件说明说明:使偏导数都为 0 的点称为驻点.例如,定理定理1(必要条件)函数偏导数,证证:据一元函数极值的必要条件

2、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,则有存在故机动 目录 上页 下页 返回 结束 鞍点冒得极值4/22/2023高等数学课件时,具有极值定理定理2(充分条件)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)当证明参见 二元泰勒中值定理一节.时,没有极值.时,不能确定,需另行讨论.若函数机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件例例1.1.求函数解解:第一步第一步 求驻点求驻点.得驻点:(1,0),(1,2),(3,0),(3,2).第二步第二步 判别判别.

3、在点(1,0)处为极小值;解方程组的极值.求二阶偏导数机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件在点(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;机动 目录 上页 下页 返回 结束 为极小值;不是极值;不是极值;为极大值.4/22/2023高等数学课件例例2.讨论函数及是否取得极值.解解: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.正正负负0在点(0,0)并且在(0,0)都有 可能为机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件二、最值应用问题二、最值应用问题函数 f

4、 在闭域上有连续偏导数函数 f 在闭域上可达到最值 最值可疑点 区域内的极值点边界上的极值点特别特别,当区域内部最值存在,且只有一个只有一个极值点P 时,为极小 值为最小 值(大大)(大大)依据机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件例例3.解解:设水箱长,宽分别为 x,y m,则高为所用材料的面积为令得驻点某厂要用铁板做一个体积为2根据实际问题可知最小值在定义域内应存在,的有盖长方体水箱，问长、宽、高为何尺寸时,才能使用料最省?因此可断定此唯一驻点就是最小值点.即当长、宽均为为水箱所用材料最省。机动 目录 上页 下页 返回 结束 则水箱高时,4/22/2023高等数

5、学课件例例4.有一宽为 24cm 的长方形铁板,把它折起来做成解解:设折起来的边长为 x cm,则断面面积x24一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机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件令解得: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.机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件三、条件极值三、条件极值极值问题自 由 极 值:条 件 极 值:条件极值的求法:方法方法1 代入法代入法.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

6、机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件方法方法2 拉格朗日乘数法拉格朗日乘数法.如方法 1 所述,则问题等价于一元函数可确定显函数的极值问题,极值点必满足设 记例如例如,故 故有机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件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.机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件推广推广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.例如例如,求函数下的极值.在条

7、件机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件例例5.求半径为R 的圆的内接三角形中面积最大者.解解:设内接三角形各边所对的圆心角为 x,y,z,则，对应的面积为：设拉氏函数解方程组得故圆内接正三角形面积最大,最大面积为 机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件例例6.求原点到曲线解解:目标函数：机动 目录 上页 下页 返回 结束 约束：曲线为方便起见，改写目标函数为的最大最小距离。作Lagrange函数：上式分别对求导，然后可解出由此得4/22/2023高等数学课件例例7.Cobb-Douglas生产函数模型解解:假设机动 目录 上页 下页 返

8、回 结束 每个劳动力成本150元，x 劳动力数量，y 资本数量，a、c 常数，f 产量。每单位资本的成本250元，如果总预算为50000元，如何分配才能使产量最大？目标函数约束作Lagrange函数：对x,y,求导，得4/22/2023高等数学课件例例7.Cobb-Douglas生产函数模型解解:机动 目录 上页 下页 返回 结束 x 劳动力数量，y 资本数量，a、c 常数，f 产量。即雇佣250人其余做资本可获得最大产量16719.化简式解得代入式得：代入解得4/22/2023高等数学课件例例8.求函数上的最大、解解:求解此题要分两部分。在区域：机动 目录 上页 下页 返回 结束 yx0（1

9、）求三角形内部的自由极值：解方程组得驻点为在该驻点函数取值为最小值。4/22/2023高等数学课件yx0机动 目录 上页 下页 返回 结束（2）求三角形边界上的条件极值：第一条边界第二条边界第三条边界驻点值4/22/2023高等数学课件内容小结内容小结1.函数的极值问题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机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件设拉格朗日函数如求二元函数下的极值,解方程组第二步第二

10、步 判别判别 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)3.函数的最值问题函数的最值问题在条件求驻点.机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件1.要设计一个容量为则问题为求x,y,令解方程组解解:设 x,y,z 分别表示长、宽、高,下水箱表面积最小.z 使在条件口水箱,试问水箱长、宽、高等于多少时所用材料最省？的长方体开机动 目录 上页 下页 返回 结束 思考与练习思考与练习4/22/2023高等数学课件得唯一驻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,当高为机动 目录 上页

11、 下页 返回 结束 思考思考:1)当水箱封闭时,长、宽、高的尺寸如何?提示提示: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?提示提示:长、宽、高尺寸相等.4/22/2023高等数学课件2.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 最值.解答提示解答提示:设 C 点坐标为(x,y),思考与练习思考与练习则 机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件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.驻点对应的面积最小。点击图中任意点动画开始或暂停机动 目录 上页 下页 返回 结束 4/22/2023高等数学课件为边的面积最大的四边形,提示提示:目标函数目标函数:约束条件约束条件:答案答案:即四边形内接于圆时面积最大.3 求平面上以机动 目录 上页 下页 返回 结束 思考与练习思考与练习和约束条件?试列出其目标函数4/22/2023高等数学课件