当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第二章 多元函数微分学应用 > 第三节 多元函数的条件极值 > 条件极值问题举例
好 前面我们介绍了条件极值问题的一般求解方法
也就是所谓的拉格朗日乘子法
在这一节我们看几个具体的例题
第一个例题 我们去求一下
求周长为2p的面积最大的三角形
实际上我们这个问题也就是说
如果一个三角形的周长是定值的时候
我们来求一求
他什么时候面积最大
当然这个结果
大家在平面几何里
也许已经知道了结论
那现在我们就是来讨论一下
为什么是正三角形的面积最大
就是在周长一定的前提下
然后 我们做这个问题的时候
我就假设三角形的三个边长
是abc 那么我们的条件
也就是a+b+c=定值2p
那根据三角形的海伦公式
我们知道 它的面积也就等于
根下p乘上p-a p-b 还有p-c
这就是面积
说 我们这个问题
就是要求这个面积
在这个条件下 他的最大值
因为我们如果把这个面积
直接做目标函数的时候
在做导数运算时
带有根号的东西求导
对我们做问题来说是复杂的
所以我们在具体转化成极值问题之前
把这个问题做一个等价的转化
也就是说求这个面积最大
也就等价于求他的平方最大
所以说我们就考虑
下面这个条件极值问题
考虑就是求这个最大值
也就是S平方
我们的约束条件就是a+b+c=2p
然后我们就直接构造
这个条件极值问题的拉格朗日乘子
乘子函数 令abc
然后有一个约束条件
引进一个拉格朗日乘子
这个也就等于p乘上p-a乘上p-b
再乘上p-c 再加上λ倍的a+b+c-2p
在这个地方大家注意
我们构造拉格朗日乘子函数的时候
我们的约束条件是写成约束函数等于0的形式
所以说在这个问题里面
我们的约束函数是a+b+c-2p
那么我们就求关于abc以及λ的偏导数
偏L偏a 这个地方
也就是他这求导出来一个-1
所以-p倍的p-b乘上p-c
然后这边一求 是加上λ
我们让这个等0
类似的偏L偏b
也就等于-p(p-a)(p-c)
这边关于b一求导
又是加上λ 让他等0
第三个也就是偏L偏c
他应该等于-p(p-a)(p-b)
然后这面关于c一求导又出来一个λ
这就是前面偏导数
最后一个就是偏L偏λ
实际上也就是a+b+c-2p 让他等0
现在我们来做这个问题的时候
大家看 就是我只看前两个方程
前两个方程因为这边都是λ
意味着这个表达式跟这个表达式值应该相等
而这两个表达式里面
p是公因子 p-c是公因子
所以前两个方程意味着
p-a和p-b是相等的
也就是a b要相等
类似的
我们直接看第二个等式和第三个等式
那λ一样 p一样 p-a是一样的
所以说我们就会知道p-c和p-b是相等的
这也就意味着b是等c的
也就是这三个方程
我们就推出了a=b=c等于c
当然如果我再用上第四个方程
他们都应该等于2p/3
实际上也就是说如果我来求
这个条件极值问题的极值点的时候
那么 他必须满足abc相等这个条件
也就是三角形必须是正三角形
因为根据实际问题
我们知道周长一定的三角形里面
一定有面积最大的 面积最大的
那就是说我们又得到了
可能的条件极值点只有一个
那这就是我们面积取到最大值的情况
所以就证明了在周长一定的前提下
等边三角形的面积最大
这是第一个例题
第二个例题
我们看一下就是求
这个函数f(x,y,z)=x+2y+3z
在就是x^2+y^2=2与y+z=1
就是交线上的最值
也可以说是求这个三元函数
满足这两个条件时的条件极值
实际上这个条件极值问题提的
他的几何背景就是
这是空间中的一张柱面
而这是空间中的一张平面
柱面和平面一交
交出来应该一般的是一个椭圆周
我们就是求当xyz这个点
在这个椭圆周上变化时
这个函数他什么时候取到最大
什么时候取到最小
最大值和最小值是什么
那这就是一个简单的条件极值问题
所以说我们解这个问题的时候
直接构造辅助函数L(x y z λ μ)
因为有两个约束条件
让他等于就是目标函数是x+2y+3z
再加上 λ然后是x^2+y^2-2
这是第一个约束函数
再加上μ倍的y+z-1
这就是第二个约束函数
有了这个拉格朗日乘子函数之后
我们就直接求解这个方程组
偏L偏x 那我们看一下
第一部分关于x求导出来的是1
这出来一个2xλ
这面与x无关 所以说 让他等于0
第二个我们就 偏L偏y
关于y求导第一部分出来的是2
第二部分再加上一个2yλ
第三部分再加上μ
再让这个偏导数等0
第三个就是偏L偏z
第一部分求偏导出来的是3
第二部分与z无关
第三部分求出来是个μ 让他等0
最后 还有两个约束条件
指的是偏L偏λ也就是x^2+y^2-2=0
偏L偏μ也就指的是y+z-1=0
那我们来解这个方程组
这个方程组大家会发现
第三个方程直接得到这个拉格朗日乘子
μ应该等-3 μ如果等-3
我们把μ=-3代到第二个方程
我们就知道-1+2yλ应该=0
大家再观察一下第一个方程
1+2xλ=0 所以说这三个方程合到一起
我们就知道y=-x
y=-x 我们把这个关系代到第四个方程
那么这就是x^2-1=0
所以说我们的x
要么是等1要么是等-1
x=1时y应该是=-1的
x=-1时y应该是=1的
好 我们把x=1 y=-1代到第五个方程
这时候就会得到z应该是=2
如果把x=-1 y=1我们代到第五个方程
这时候会得到z=0
所以说这个方程
尽管他是一个非线性方程组
但因为他有个别的方程特别简单
所以我们就按这个思路
能够得到我们两个条件极值点
然后我们就看看目标函数
在这两点的值分别是什么
如果x=1 y=-1 z=2的时候
这是1这是-2这是-1
z是2 这就是6 6加起来
这个时候函数值应该是等5的
而在这点x=-1 y=1 z=0
这是-1这是2加起来是1
这个是0 这个是等1的
我想做到这
我们这个问题就解决了
也就是说这个三元函数
在这两个约束条件下
他的最大值应该是5
最小值应该是1
如果你问最大值在哪一点取到
我们就可以说最大值是在(x=1,y=-1,z=2)时取到
如果最小值问哪一点取到的时候
他应该是在(-1,1,0)这一点取到
我想这是我们应该介绍的第二个例题
好 接下来我们来看第三个例子
第三个例子 我们假设
一张平面他的方程是ax+by+cz+d=0
我们在空间中有一个点P0
他的坐标是(x0,y0,z0)
我们的问题就是求P0到这个平面
平面 到平面上的点的距离的最小值
实际上也就是P0这个点
与平面上的任意一个点(x,y,z)
都可以做一个距离
在所有的这些距离里面
我们来求那个最小的
实际上大家知道
这就是要求点到平面的距离
当然点到平面的距离
大家在学习解析几何时
就是学习空间解析几何时
能够得到一个一般的结论
现在我们就从多元函数条件极值的这个角度出发
来看一下这个结论是怎么来的
这个地方
我们假设(x,y,z)是平面上的一个点
所以说我们的目标函数要求距离
也就是r(xyz)应该就等于
根下(x-x0)^2+(y-y0)^2+(z-z0)^2
x y z应该是满足这个等式的
与我们前面讨论的第二个例题一样
因为我们如果把目标函数代入根号进行讨论时
在做倒数运算时会碰到一些困难
所以说我们又把这个问题转化成他等价的形式
我们的问题也就是要求
r平方的最小值
在这个约束条件下的最小
那我们直接构造
他的拉格朗日乘子函数
也就是令L(xyzλ) 一个约束条件
也就等于(x-x0)^2+(y-y0)^2+(z-z0)^2
加上λ倍的ax+by+cz+d括起来
这就是我们构造的辅助函数
接下来我们就求这个四元函数
他的驻点
也就是要求他的偏导数都等0的点
所以说我们就看一下这个东西
由 偏L偏x 大家求求偏导
第一部分求出来2(x-x0)
后面这个部分求一下出来一个aλ
让这个等于0
第二个偏L偏y
前面一部分关于y求偏导应该是2(y-y0)
后面这个关于y求导出来的应该是bλ
让他等于0
第三个偏导数就是偏L偏z
前面一部分关于z求偏导
是z-z0 两倍的 后面这一个
应该是加上cλ 让他等0
最后一个偏L偏λ=0
也就是我们的约束条件
应该是满足的 +cz+d他应该=0
现在我们的问题
大家注意一下
在我们这前三个方程里面
我们都有(x-x0) (y-y0) (z-z0)
这样的项
而我们要求的时候
我们的目标函数里边就是只与这三个差有关
所以说我们先用前三个方程
把我们这个表达式转化成只与λ有关的样子
也就是我们这时候 我们的距离
应该是这样子的
因为(x-x0)给他移过去就是-aλ/2
所以说我们做完平方之后
实际就是a^2λ^2/4
这是(x-x0)^2
类似的 (y-y0)^2
利用第二个等式就是加上b^2λ^2/4
(z-z0)^2利用第三个等式也就是c^2λ^2/4
这样也就是等于λ/2
这面是根下a^2+b^2+c^2
所以说现在我们主要就是把λ求出来就行了
当然如果大家说
你λ不见得是正的
所以你平方开方出来的是绝对值
这绝对值当然是没错的
实际上不带绝对值的时候
只是意味着我这个空间中的点
是在这个平面的这一侧还是另一侧
但是我们求距离
无论他在哪一侧
他的距离都是正的
所以我们可以在这里平方开方出个绝对值
所以大家一看
我们主要就是求一下
在这个条件下
λ等多少就行啦
那这个我们怎么去用
我们要用ax+by+cz=-d这个条件
而这个条件在这里面怎么出来
请大家看一下
如果我在第一个等式两端同乘a的时候就出来ax
类似的 第二个方程两端同乘b
自然出来bx
第三个我就应该同乘c 出来cx
所以说我就再对前三个方程进行变形
变形完之后 第一个方程
应该是出来的
这个地方就是a^2λ应该等于
移过去 这应该是2倍的
这面是ax0-ax
第二个方程两边同乘b
也就是b^2λ等于2倍的bx0-bx
第三个方程同乘c
也就是c^2λ等于2倍的cz0-cz
现在我们把这三个等式 加起来
加起来之后也就推出了
(a^2+b^2+c^2)λ 这面就等于2x0
这个地方应该是by0 这是by
这样一加的时候
这就是by0+cz0
这面一加应该是-2(ax+by+cz)
但是大家注意一下ax+by+cz应该等于-d
所以说我们把这个再给他写一下
应该就是2(ax0+by0+cz0)
这面就是加上2d 我们写到这来
这样子的时候
在这个等式里面
我们λ直接就等于这一个表达式除上a^2+b^2+c^2
最后我们把λ往这里一代的时候
那么 我们的结果就是
上下这一个2是消掉的
然后这个根号
跟分母上这个消一下以后
应该就等于
分母上是根下a^2+b^2+c^2
而分子上剩下的是
绝对值里面ax0+by0+cz0+d
也就是说如果我们知道了平面方程
知道了空间中一个点的坐标之后
这个点到平面的距离
就是把点的坐标
代到平面方程的左侧作为分子
分母相当于是对
这个平面的法向量做了一个单位化
做了一个单位化
所以说这个点到平面的距离公式
与我们在中学里面学的
平面上点到直线距离公式
形式上是完全一样的
他无非是把直线问题
平面上的两维的问题
转化成了空间中的三维的问题
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
-第一节 二重积分的概念和性质
--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题