整理多元函数的极值及其求法

1、第六节多元函数的极值及其求法在实际问题中，我们会大量遇到求多元函数的最大值、最小值的问题.与一元函数的情形类似，多元函数的最大值、最小值与极大值、极小值密切的联系.下面我们以二元函数为例来讨论多元函数的极值问题.内容分布图示 引例二元函数极值的概念例1-3 极值的必要条件极值的充分条件 求二元函数极值的一般步骤例4例5 求最值的一般步骤例6例7例8例9例10例11条件极值的概念拉格郎日乘数法例12例13例14例15例16*数学建模举例最小二乘法线性规划问题内容小结课堂练习习题6-6返回内容提要：一、二元函数极值的概念定义1设函数z=f(x,y)在点(x0,y0)的某一邻域内有定义，对于该邻域内

2、异于(Xo,yo)的任意一点(x,y),如果f(x,y):二f(X0,y0),则称函数在(x0,y°)有极大值；如果f(x,y)f(x0,y0),则称函数在(x0,y0)有极小值；极大值、极小值统称为极彳1.使函数取得极值的点称为极值点.定理1(必要条件)设函数z=f(x,y)在点(x0,y0)具有偏导数，且在点(x0,y°)处有极值，则它在该点的偏导数必然为零，即fx(x0,y0)=0,fy(x0,y0)=0.(6.1)与一元函数的情形类似，对于多元函数，凡是能使一阶偏导数同时为零的点称为函数的驻点.定理2(充分条件)设函数z=f(x,y)在点(x°,y

3、6;)的某邻域内有直到二阶的连续偏导数，又fx(x(py0)=。，fy(x0,y0)=。.令fxx(Xo,yo)=A,fxy(X0,y。)=B,fyy(x。，y。)=C.(1)当ACB2>0时，函数f(x,y)在(x0,y0)处有极值，且当A>0时有极小值f(x0,y0)；A<0时有极大值f(x0,y°)；2(2)当ACB<0时，函数f(x,y)在(x0,y°)处没有极值；一_2(3)当ACB=0时，函数f(x,y)在(x°,y°)处可能有极值，也可能没有极值.根据定理1与定理2,如果函数f(x,y)具有二阶连续偏导数，则求z=f

4、(x,y)的极值的一般步骤为：第一步解方程组fx(x,y)=0,fy(x,y)=0,求出f(x,y)的所有驻点；第二步求出函数f(x,y)的二阶偏导数，依次确定各驻点处A、B、C的值，并根据AC-B2的符号判定驻点是否为极值点.最后求出函数f(x,y)在极值点处的极值.二、二元函数的最大值与最小值求函数f(x,y)的最大值和最小值的一般步骤为：(1)求函数f(x,y)在D内所有驻点处的函数值；(2)求f(x,y)在D的边界上的最大值和最小值；(3)将前两步得到的所有函数值进行比较，其中最大者即为最大值，最小者即为最小值在通常遇到的实际问题中，如果根据问题的性质，可以判断出函数f(x,y)的最大

5、值(最小值)一定在D的内部取得，而函数f(x,y)在D内只有一个驻点，则可以肯定该驻点处的函数值就是函数f(x,y)在D上的最大值(最小值).三、条件极值拉格朗日乘数法前面所讨论的极值问题，对于函数的自变量一般只要求落在定义域内，并无其它限制条件，这类极值我们称为无条件极值.但在实际问题中，常会遇到对函数的自变量还有附加条件的的极值问题.对自变量有附加条件的极值称为条件极值.拉格朗日乘数法设二元函数f(x,y)和中(x,y)在区域D内有一阶连续偏导数，则求z=f(x,y)在D内满足条彳9(x,y)=0的极值问题，可以转化为求拉格朗日函数L(x,y,)=f(x,y)：(x,y)(其中九为某一常数

6、)的无条件极值问题.于是，求函数z=f(x,y)在条彳甲(x,y)=0的极值的拉格朗日乘数法的基本步骤为：(1)构造拉格朗日函数L(x,y,)=f(x,y)+,*q'(x,y)其中九为某一常数；(2)由方程组Lx=fx(x,y)+)Wx(x,y)=0,LLy=fy(x,y)+my(x,y)=0,"=*(x,y)=0解出x,y,九，其中x,y就是所求条件极值的可能的极值点.注：拉格朗日乘数法只给出函数取极值的必要条件，因此按照这种方法求出来的点是否为极值点，还需要加以讨论.不过在实际问题中，往往可以根据问题本身的性质来判定所求的点是不是极值点.拉格朗日乘数法可推广到自变量多于两

7、个而条件多于一个的情形：四、数学建模举例例题选讲：二元函数极值的概念2222例1(讲义例1)函数z=2x+3y在点(0,0)处有极小值.从几何上看，z=2x+3y表示一开口向上的椭圆抛物面，点(0,0,0)是它的顶点.(图7-6-1).例2(讲义例2)函数z=-vx2+y2在点(0,0)处有极大值.从几何上看，z=Yx2+y2表示一开口向下的半圆锥面，点(0,0,0)是它的顶点.(图7-6-2).例3(讲义例3)函数z=y2-x2在点(0,0)处无极值.从几何上看，它表示双曲抛物面(马鞍面)(图7-6-3)例4(讲义例4)求函数f(x,y)=x3y3+3x2+3y29x的极值.例5证明函数z=

8、(1+ey)cosx-yey有无穷多个极大值而无一极小值二元函数的最大值与最小值例6(讲义例5)求函数f(x,y)=x2-2xy+2y在矩形域D=(x,y)|0<x<3,0<y<2上的最大值和最小值.例7求二元函数z=f(x,y)=x2y(4_xy)在直线x+y=6,x轴和y轴所围成的闭区域D上的最大值与最小值.例8求函数f(x,y)=3x2+3y2-x2在区域D:x2+y2£16上的最小值.例9求z=2x+y的最大值和最小值.x2y213例10(讲乂例6)某厂要用铁板做成一个体积为2m的有盖长方体水箱.问当长、宽、高各取怎样的尺寸时，才能使用料最省.例11(

9、讲义例7)设qi为商品A的需求量，q2为商品B的需求量，其需求函数分别为qi=162pi+4p2,q2=20+4pi10p2,总成本函数为C=3qi+2q2,其中pi,p2为商品A和B的价格，试问彳格p1,p2取何值时可使利润最大？例12求函数u=xyz在附加条件1/x1/y1/z=1/a(x.0,y.0,z.0,a0)(1)下的极值.条件极值拉格朗日乘数法2例13(讲义例8)求表面积为a而体积为最大的长方体的体积.例14(讲义例9)在经济学中有个Cobb-Douglas生产函数模型f(x,y)=cxay1,式中x代表劳动力的数量，y为资本数量(确切地说是y个单位资本)，c与a(0<a&

10、lt;1)是常数，由各工厂的具体情形而定.函数值表示生产量.31现在已知某制造商的Cobb-Douglas生产函数是f(x,y)=100x7y4,每个劳动力与每单位资本的成本分别是150元及250元.该制造商的总预算是50000元.问他该如何分配这笔钱用于雇用劳动力与资本，以使生产量最高例15(讲义例10)设销售收入R(单位:万元)与花费在两种广告宣传的费用x,y(单位:万元)之间的关系为R_200x100yx510y利润额相当五分之一的销售收入，并要扣除广告费用.已知广告费用总预算金是25万元，试问如何分配两种广告费用使利润最大？例16设某电视机厂生产一台电视机的成本为c,每台电视机的销售价

11、格为p,销售量为x.假设该厂的生产处于平衡状态，即电视机的生产量等于销售量.根据市场预测，销售量x与销售价格为p之间有下面的关系：x=MLp(M0,a0)(1)其中M为市场最大需求量，a是价格系数.同时，生产部门根据对生产环节的分析，对每台(2)电视机的生产成本c有如下测算：c=c0_klnx（k,0,x,1）,其中co是只生产一台电视机时的成本，k是规模系数.根据上述条件，应如何确定电视机的售价p,才能使该厂获得最大利润？数学建模举例1 .最小二乘法数理统计中常用到回归分析，也就是根据实际测量得到的一组数据来找出变量间的函数关系的近似表达式.通常把这样得到的函数的近似表达式叫做经验公式.这是

12、一种广泛采用的数据处理方法.经验公式建立后，就可以把生产或实践中所积累的某些经验提高到理论上加以分析，并由此作出某些预测.下面我们通过实例来介绍一种常用的建立经验公式的方法例17（讲义例11）为测定刀具的磨损速度，按每隔一小时测量一次刀具厚度的方式，得到如下实测数据：顺序编号i01234567时间ti（小时）01234567刀具厚度yi（毫米）27.026.826.526.326.125.725.324.8试根据这组实测数据建立变量y和t之间的经验公式y=f（t）.注：本例中实测数据的图形近似为一条直线，因而认为所求函数关系可近似看作线性函数关系，这类问题白求解比较简便.有些实际问题中，经验公

13、式的类型虽然不是线性函数，但我们可以设法把它转化成线性函数的类型来讨论2 .线性规划问题求多个自变量的线性函数在一组线性不等式约束条件下的最大值最小值问题，是一类完全不同的问题，这类问题叫做线性规划问题.下面我们通过实例来说明.-1-11，-例18（讲义例12）一份简化的食物由粮和肉两种食品做成，每份粮价值30分，其中含有4单位醺，5单位维生素和2单位蛋白质；每一份肉价值50分，其中含有1单位醺，4单位维生素和4单位蛋白质.对一份食物的最低要求是它至少要由8单位醺，20单位维生素和10单位蛋白质组成，问应当选择什么样的食物，才能使价钱最便宜.下面的例子是用几何方法来解决的.例19（讲义例13）一个糖果制造商有500g巧克力，100g核桃和50g果料.他用这些原料生产三种类型的糖果.A类每盒用3g巧克力，1g核桃和1g果料，售价10元.B类每盒用4g巧克力和1g核桃，售价6元.C类每盒是5g巧克力，售价4元.问每类糖果各应做多少盒才