二元函数的泰勒公式

10.4. 二元函数的泰勒公式一、高阶偏导数二元函数的两个（一阶）偏导数仍是与的二元函数.若它们存在关于和的偏导数，即 称它们是二元函数的二阶偏导（函）数.二阶偏导数至多有个.通常将它们表为： 表为 或 表为 或 （混合偏导数）表为 或 （混合偏导数） 表为 或 一般地，二元函数的阶偏导函数的偏导数称为二元函数的n阶偏导数.二元函数的n阶偏导数至多有个.二元函数的n阶偏导数的符号与二阶偏导数类似.例如，符号 或 表示二元函数的n阶偏导数，首先对求阶偏导数，其次接着对求阶偏导数.二阶与二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数.类似可定义三元函数、一般n元函数的高阶偏导数.例1. 求函数 的二阶偏导数.解： 例2. 证明：若则 证明： 由10.3.例2，有 同样，可得 于是， 定理1. 若函数在点的邻域G存在二阶混合偏导数与，并且它们在点连续，则 证明 令 ， 令.对在上应用拉格朗日中值定理,得 ；令.同样方法可以得到.于是有.令,取极限得(1)式.例3. 证明：若则 证明： 于是， 即 说明：定理1的结果可推广到n元函数的高阶混合偏导数上去.例如，三元函数关于的三阶偏导数按照不同的顺序共有六个：若它们在点都连续，则它们相等.若二元函数所有的混合高阶偏导数都连续，则偏导数（亦称一阶偏导数）有二个，二阶偏导数只有三个，三阶偏导数只有四个.一般情况，n阶偏导数只有个.二、二元函数的泰勒公式讨论二元函数泰勒公式的方法是：作一个辅助函数，将二元函数化为一元函数.应用已知的一元函数的泰勒公式和复合函数的微分法得到二元函数的泰勒公式.为了将二元函数在点的函数值在点展成泰勒公式，作辅助函数 即 显然，于是，函数在点展成的泰勒公式就是一元函数在点0的泰勒公式（即麦克劳林公式）在的值.定理2. 若函数在点的邻域G存在n+1阶连续的偏导数，则，有 （4）其中符号表示偏导数在的值， .（4）式称为二元函数在的泰勒公式.在泰勒公式（4）中，令，就得到二元函数的麦克劳林公式（将与分别用与表示）： （5）在泰勒公式（4）中，当时，有，或. （6）（6）式二元函数中值定理的另一种形式，这里只有一个.在泰勒公式（4）中，当时，有 例4. 将函数展成麦克劳林公式.解： 函数在存在任意阶连续偏导数，且 ，与是任意非负整数.由公式（5），有 三、二元函数的极值1. 极值点的定义定义 设函数在点的邻域G有定义.若，有 ，则称是函数的极大点（极小点）.极大点（极小点）的函数值称为函数的极大值（极小值）.极大点与极小点统称为极值点.极大值与极小值统称为极值.例如，点是函数的极小点，极小值是.事实上，有 ，于是 2. 极值点的必要条件定理3. 若函数在点存在两个偏导数，且是函数的极值点，则 与 .证明：已知是函数的极值点，即是一元函数的极值.根据一元函数极值的必要条件，a是一元函数的稳定点，即 .同法可证， . 方程组 的解（坐标平面上某些点）称为函数的稳定点. 定理3指出，可微函数的极值点一定是稳定点.反之，稳定点不一定是极值点.例如，函数（双面抛物面） . 显然，点是函数的稳定点.但点并不是函数的极值点. 3. 极值点的充分条件 定理4. 设函数有稳定点，且在点的邻域G存在二阶连续偏导数.令 1）若，则是函数的极值点：（），是函数的极小点.（），是函数的极大点.2）若，则不是函数的极值点.注：当判别式时，稳定点可能是函数的极值点，也可能不是函数的极值点.例如，函数 不难验证，是每个函数唯一的稳定点，且在稳定点每个函数的判别式.显然，稳定点是函数的极小点；是函数的极大点；却不是函数的极值点.求可微函数f(x,y)的极值点的步骤：1）求偏导数，解方程组求稳定点.设其中一个稳定点是.2）求二阶偏导数，写出 3）将稳定点的坐标代入上式，得判别式 再由的符号，根据下表判定是否是极值点：+0A（或C）+不是极值点不定是极小点是极大点 例6. 求函数的极值.解： 解方程组 解得两个稳定点（0，0）与（1，1）.求二阶偏导数 在点不是函数的极值点.在点且是函数的极小点，极小值是 .4. 二元函数f（x，y）在实际问题中的最大、最小值一般来说，求函数在D的边界上的最大（小）值是很困难的.但是，在很多实际问题，根据问题的实际意义，函数的最大（小）值必在区域D（D可以是无界区域）内某点P取得，又函数在D内只有一个稳定点P，那么函数必在这个稳定点P取得最大（小）值.例7. 用钢板制造容积为V的无盖长方形水箱，问怎样选择水箱的长、宽、高才最省钢板.解： 设水箱长、宽、高分别是.已知，从而高.水箱表面的面积 ，S的定义域.这个问题就是求函数S在区域D内的最小值.解方程组 在区域D内解得唯一稳定点.求二阶偏导数 ， . .在稳定点，且，从而，稳定点是S的极小点.因此，函数S在点取最小值.当时， 即无盖长方形水箱，所需钢板最省.例8. 在已知周长为的一切三角形中，求出面积为最大的三角形.解：设三角形的三个边长分别是.面积是.由海伦公式，有 . （8）已知，将它代入（8）式之中，有 .因为三角形的每边是正数而且小于半周长，所以的定义域 .已知的稳定点与的