多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘法PPT課件.ppt
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1、多元函數(shù)的極值與拉多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘法格朗日乘法一、多元函數(shù)的極值和最值一、多元函數(shù)的極值和最值1.極大值和極小值的定義極大值和極小值的定義一元函數(shù)的極值一元函數(shù)的極值的定義的定義:是在一點(diǎn)是在一點(diǎn)附近附近將函數(shù)值比大小將函數(shù)值比大小.定義定義點(diǎn)點(diǎn)P0為函數(shù)的為函數(shù)的極大值點(diǎn)極大值點(diǎn).類似可定義極小值點(diǎn)和極小值類似可定義極小值點(diǎn)和極小值.設(shè)在點(diǎn)設(shè)在點(diǎn)P0的某個(gè)鄰域的某個(gè)鄰域,為為極大值極大值.則稱則稱多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法2 注注 函數(shù)的極大值與極小值統(tǒng)稱為函數(shù)的函數(shù)的極大值與極小值統(tǒng)稱為函數(shù)的 函數(shù)的極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)統(tǒng)稱為函數(shù)的函數(shù)的極大值點(diǎn)與
2、極小值點(diǎn)統(tǒng)稱為函數(shù)的多元函數(shù)的極值也是多元函數(shù)的極值也是局部的局部的,一般來說一般來說:極大值未必是函數(shù)的最大值極大值未必是函數(shù)的最大值.極小值未必是函數(shù)的最小值極小值未必是函數(shù)的最小值.有時(shí)有時(shí),極值極值.極值點(diǎn)極值點(diǎn).內(nèi)的值比較內(nèi)的值比較.是與是與P0的鄰域的鄰域極小值可能比極大值還大極小值可能比極大值還大.多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法3例例例例例例 函數(shù)函數(shù) 存在極值存在極值,在在(0,0)點(diǎn)取極小值點(diǎn)取極小值.在在(0,0)點(diǎn)取極大值點(diǎn)取極大值.(也是最大值也是最大值).在在(0,0)點(diǎn)無極值點(diǎn)無極值.橢圓拋物面橢圓拋物面下半個(gè)圓錐面下半個(gè)圓錐面馬鞍面馬
3、鞍面在簡單的情形下是在簡單的情形下是容易判斷的容易判斷的.函數(shù)函數(shù)函數(shù)函數(shù)(也是最小值也是最小值).函數(shù)函數(shù)多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法42.極值的必要條件極值的必要條件證證定理定理1 1(必要條件必要條件)則它在該則它在該點(diǎn)的偏導(dǎo)數(shù)必然為零點(diǎn)的偏導(dǎo)數(shù)必然為零:有極大值有極大值,不妨設(shè)不妨設(shè)都有都有多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法說明一元函數(shù)說明一元函數(shù)有極大值有極大值,必有必有類似地可證類似地可證5推廣推廣 如果三元函數(shù)如果三元函數(shù)具有偏導(dǎo)數(shù)具有偏導(dǎo)數(shù),則它在則它在有極值的有極值的必要條件必要條件為為多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多
4、元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法均稱為函數(shù)的均稱為函數(shù)的駐點(diǎn)駐點(diǎn)極值點(diǎn)極值點(diǎn)仿照一元函數(shù)仿照一元函數(shù),凡能使凡能使一階偏導(dǎo)數(shù)一階偏導(dǎo)數(shù)同時(shí)為零的同時(shí)為零的點(diǎn)點(diǎn),駐點(diǎn)駐點(diǎn).如何判定一個(gè)駐點(diǎn)是否為極值點(diǎn)如何判定一個(gè)駐點(diǎn)是否為極值點(diǎn)如如,駐點(diǎn)駐點(diǎn),但不是極值點(diǎn)但不是極值點(diǎn).注注63.極值的充分條件極值的充分條件定理定理2 2(充分條件充分條件)的某鄰域內(nèi)連續(xù)的某鄰域內(nèi)連續(xù),有一階及二階連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)有一階及二階連續(xù)偏導(dǎo)數(shù),處是否取得極值的條件如下處是否取得極值的條件如下:(1)有極值有極值,有極大值有極大值,有極小值有極小值;(2)沒有極值沒有極值;(3)可能有極值可能有極值,也可能無極值也可能無極值.多元
5、函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法7求函數(shù)求函數(shù) 極值的一般步驟極值的一般步驟:第一步第一步解方程組解方程組求出實(shí)數(shù)解求出實(shí)數(shù)解,得駐點(diǎn)得駐點(diǎn).第二步第二步 對于每一個(gè)駐點(diǎn)對于每一個(gè)駐點(diǎn)求出二階偏導(dǎo)數(shù)的值求出二階偏導(dǎo)數(shù)的值第三步第三步 定出定出的符號的符號,再判定是否是極值再判定是否是極值.多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法8例例 解解又又在點(diǎn)在點(diǎn)(0,0)處處,在點(diǎn)在點(diǎn)(a,a)處處,故故故故即即的極值的極值.在在(0,0)無極值無極值;在在(a,a)有極大值有極大值,多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法9解解求由方程求
6、由方程將方程兩邊分別對將方程兩邊分別對x,y求偏導(dǎo)數(shù)求偏導(dǎo)數(shù),由函數(shù)取極值的必要條件知由函數(shù)取極值的必要條件知,駐點(diǎn)為駐點(diǎn)為將上方程組再分別對將上方程組再分別對x,y求偏導(dǎo)數(shù)求偏導(dǎo)數(shù),多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法法一法一10故故函數(shù)在函數(shù)在P有極值有極值.代入原方程代入原方程,為極小值為極小值;為極大值為極大值.多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法所以所以所以所以zzCPyy-=21|11求由方程求由方程多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法解解 法二法二 配方法配方法 方程可變形為方程可變形為 于是于是 顯然顯然,
7、根號中的極大值為根號中的極大值為4,由由可知可知,為極值為極值.即即為極大值為極大值,為極小值為極小值.12取得取得.然而然而,如函數(shù)在個(gè)別點(diǎn)處的如函數(shù)在個(gè)別點(diǎn)處的偏導(dǎo)數(shù)不存在偏導(dǎo)數(shù)不存在,這些點(diǎn)當(dāng)然不是駐點(diǎn)這些點(diǎn)當(dāng)然不是駐點(diǎn),如如:函數(shù)函數(shù)不存在不存在,但函數(shù)在點(diǎn)但函數(shù)在點(diǎn)(0,0)處都具有極大值處都具有極大值.在研究函數(shù)的極值時(shí)在研究函數(shù)的極值時(shí),除研究函數(shù)的駐點(diǎn)外除研究函數(shù)的駐點(diǎn)外,還應(yīng)研究還應(yīng)研究偏導(dǎo)數(shù)不存在的點(diǎn)偏導(dǎo)數(shù)不存在的點(diǎn).注注由由極值的必要條件知極值的必要條件知,極值只可能在駐點(diǎn)處極值只可能在駐點(diǎn)處但但也可能是極也可能是極值值點(diǎn)點(diǎn).在點(diǎn)在點(diǎn)(0,0)處的偏導(dǎo)數(shù)處的偏導(dǎo)數(shù)多元函數(shù)
8、的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法13多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法考研數(shù)學(xué)考研數(shù)學(xué)(一一),4分分選擇題選擇題已知函數(shù)已知函數(shù)f(x,y)在點(diǎn)在點(diǎn)(0,0)的某個(gè)鄰域內(nèi)連續(xù)的某個(gè)鄰域內(nèi)連續(xù),則則(A)點(diǎn)點(diǎn)(0,0)不是不是f(x,y)的極值點(diǎn)的極值點(diǎn).(B)點(diǎn)點(diǎn)(0,0)是是f(x,y)的極大值點(diǎn)的極大值點(diǎn).(C)點(diǎn)點(diǎn)(0,0)是是f(x,y)的極小值點(diǎn)的極小值點(diǎn).(D)根據(jù)所給條件無法判斷點(diǎn)根據(jù)所給條件無法判斷點(diǎn)(0,0)是否為是否為f(x,y)的極值點(diǎn)的極值點(diǎn).14其中最大者即為最大值其中最大者即為最大值,與一元函數(shù)相類似與一元函數(shù)相類似,
9、可利用函數(shù)的極值來可利用函數(shù)的極值來求函數(shù)的最大值和最小值求函數(shù)的最大值和最小值.4.多元函數(shù)的最值多元函數(shù)的最值求最值的一般方法求最值的一般方法最小者即為最小值最小者即為最小值.將函數(shù)將函數(shù)在在D內(nèi)內(nèi)的所有嫌疑點(diǎn)的函數(shù)值及的所有嫌疑點(diǎn)的函數(shù)值及在在D的邊界上的最大值和最小值相互比較的邊界上的最大值和最小值相互比較,多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法15解解(1)求函數(shù)求函數(shù)在在D內(nèi)內(nèi)的駐點(diǎn)的駐點(diǎn) 由于由于所以函數(shù)在所以函數(shù)在D內(nèi)無極值內(nèi)無極值.(2)求函數(shù)在求函數(shù)在 D邊界上的最值邊界上的最值(現(xiàn)現(xiàn)最值只能在邊界上最值只能在邊界上)圍成的三角形閉域圍成的三角形閉域D
10、上的上的最大最大(小小)值值.例例多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法D16在邊界線在邊界線在邊界線在邊界線由于由于最小最小,由于由于又在端點(diǎn)又在端點(diǎn)(1,0)處處,所以所以,最大最大.有駐點(diǎn)有駐點(diǎn) 函數(shù)值函數(shù)值有有單調(diào)上升單調(diào)上升.多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法D17在邊界線在邊界線所以所以,最值在端點(diǎn)處最值在端點(diǎn)處.由于由于 函數(shù)單調(diào)下降函數(shù)單調(diào)下降,(3)比較比較多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法D18解解此時(shí)此時(shí)的最大值與最小值的最大值與最小值.駐點(diǎn)駐點(diǎn)得得多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格
11、朗日乘數(shù)法上上在在求求4:94),(2222+=yxDyxyxf19對自變量有附加條件的極值對自變量有附加條件的極值.其他條件其他條件.無條件極值無條件極值對自變量除了限制在定義域內(nèi)外對自變量除了限制在定義域內(nèi)外,并無并無條件極值條件極值多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法多元函數(shù)的極值與拉格朗日乘數(shù)法二、條件極值二、條件極值 拉格朗日乘數(shù)法拉格朗日乘數(shù)法20解解例例 已知長方體長寬高的和為已知長方體長寬高的和為18,問長、寬、高問長、寬、高各取什么值時(shí)長方體的體積最大?各取什么值時(shí)長方體的體積最大?設(shè)長方體的長、寬、高分別為設(shè)長方體的長、寬、高分別為由題意由題意長方體的體積為長方體的體積為多元函數(shù)
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