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 > 第二节 多元函数的极值 > 极值问题举例
好 前面我们介绍了
怎么样利用二阶偏导数的值
来讨论驻点是否是极值点的条件
接下来我们通过两个具体的例题
来看一下
具体地怎么样应用这个结论
来解决我们有关极值点判断的问题
第一个例题
我们假设函数f(x,y)
就是x平方减掉3倍的x方乘上y再加上y的三次方
对这个函数 我们做两件事情
一个是求它的驻点
第二个事情
就是判断驻点是否是极值点
因为这是一个简单的二元函数
而且它是多项式函数
所以说二阶偏导数
它的存在性 连续性 都没有问题
我们先求它的驻点
也就是先求它的一阶偏导数
是2倍的x减掉6倍xy
第二个偏导数偏f/偏y
也就等于负的3倍的x方
再加上3倍的y方
因为我们处理第二个问题时
还需要用到二阶偏导数
所以说我们再把二阶偏导数求出来
偏方f/偏x方在(x,y)这点的值
应该就等于2-6y
偏方f/偏x偏y也就等于负的6倍x
偏方f/偏y方也就是继续对y
求一次偏导数 也就等于6倍的y
我们要求驻点 实际上就是
我们令两个一阶偏导数等于零
这实际是一个简单的非线性方程组
从第一个方程我们可以看
x=0肯定满足第一个方程
当x=0时 我们知道y也是等于0的
所以说我们求解这个方程组
我们就会得到
它的一个驻点是(0,0)
如果x不等于0时
那么从第一个方程
我们就能得到y应该是等于1/3的
因为2减掉6y等于零
如果y等于1/3的时候
为了保证第二个方程也是成立的
应用第二个方程就是说
x方等于y方
那么x等于1/3和x等于负的1/3
应该都是这个方程组的解
这样 我们就把
这个方程组的所有解找出来了
所以说 这个二元函数的驻点
一共有三个
接下来我们做第二件事情
在(0,0)我们求这个A B C的值
这个时候它的A应该是等于2
B应该是等于0 C也应该是等于0
那么 我们来求一求 AC减B方
这个当然是等于零
也就是说 我们用我们给出的定理
恰好是我们无法断定
它是否是极值点的情况
但是对这个函数来说
我们发现 如果我让x取0
它就是变成了y的一元函数
那么y=0 我们知道
并不是这个三次函数的极值点
当然(0,0)这个点自然也不可能
是原来这个二元函数的极值点
所以我们就说 因为y=0
并不是这个三次函数的极值点
所以这个驻点(0,0)
也不是原来这个二元函数的极值点
这就是用了具体函数具体分析
我们通过找它一个
特殊情况不是极值点
说明了一般情况下 也不是极值点
只是在(0,0)这一点
如果在(1/3,1/3)这一点
我们来求它的A B C
在这个点 x y都是1/3
所以它的A应该是等于0的
而它的B应该是等于-2的
C应该是等于2的
这是在第二个驻点
那么我们仍然来求AC减B方
AC减B方当然是小于零的
因为B是不等于零的 A是等于零的
好 AC减B方小于零
就说清楚了 这个点是非极值点
也就是不是极值点
类似地 我们来看第三个点
在第三个点 我们来求它的A B C
它是x等于-1/3 y等于1/3
所以说A还是等于0的
然后B是等于2 它不等于0
实际到这 我们结论已经出来了
但我们还是把C写一下
这个C仍然是等于2
这个时候 AC减B方由于B不等于0
A等于0 所以这个还是小于0
也就是这个时候
(-1/3,1/3)这个驻点也不是极值点
这是我们第一个例题
尽管我们求出了三个驻点
但是通过我们的判定
这三个驻点都不是极值点
接下来 我们看第二个例题
第二个例题 我们假设
z=z(x,y)这个函数 由这个方程确定
就是x方减掉6倍的xy
加上10倍的y的平方 减掉2倍的yz
再减掉z的平方 再加上18 等于0
由这个方程确定 实际上
这个方程 我们在前面介绍
隐函数求导法的时候曾经出现过
现在我们对这同一个方程确定的函数
我们来问另外一个问题
我们来求这个函数 z=z(x,y)旳极值
就求这件事情
那这是一个隐函数
我们不知道它的表达式
我怎么样求它的极值
实际上 我们都是从这个方程出发
把它一阶导数等于0的点先找出来
还是从这个方程出发
再把它的二阶偏导数
在驻点的值求出来
那自然就可以利用我们介绍的方法
来断定驻点是 还是不是极值点
那我们看一下
在这个等式两端关于x求导
其中y(z)是(x,y)的函数
那么我们就会得到
2倍的x减掉6倍的y
再减掉2倍的y 偏z/偏x
再减掉2倍的z 偏z/偏x 等于0
这是关于x求导
为了叙述方便
我把这个等式写成第一个等式
在这个方程两端 我们再关于y求导
那就等于是6倍的x 加上20倍的y
再减掉2倍的z 再减掉2倍的y 偏z/偏y
再减掉2倍的z 偏z/偏y
这边等于0
这个 我们记成第二个等式
因为我们还要用到二阶偏导数
所以说 我们就在第一个等式两端
再关于x求导 这就是2
这边减掉2倍的y 偏方z/偏x方
再减掉2倍的 偏z/偏x 的平方
再减掉2倍的z 偏方z/偏x方 等于0
这个我记成第三个等式
在第一个等式两端关于y求偏导
我们就会得到
-6减掉2倍的偏z/偏x
再减掉2倍的y 偏方z/偏y偏x
再减掉一个2倍的 偏z/偏y 乘上偏z/偏x
减掉一个2倍的z 偏方z/偏y偏x
这个要等于0
这个等式我们记成第四个
我们再在第二个等式两端
关于y求偏导 这个时候得到的是
20减掉2倍的 偏z/偏y
减掉2倍的 偏z/偏y
再减掉2倍的 y 偏方z/偏y方
再减掉一个2倍的 偏z/偏y 的平方
再减掉2倍的 z 偏方z/偏y方 等于0
这个我们记成第五个等式
这样就把这个方程确定的一元函数的
一阶偏导数和二阶偏导数
我们都建立了联系
好接下来 我们为了求驻点
我们就让这两个等式里面的
偏导数等于0
偏导数等于0我们就会得到
2倍的x减6y等于0
实际上就是x等于3y
然后 第二个我们让偏导数等于0
当然得到的是-6x 加上20倍的y
减掉2倍z等于0
我们再把x等于3y关系代进去
就会得到z是等于y的
那有了x和z与y的关系
我们不要忘了
x y z是要满足这个等式的
我们把这两个关系
代到这个等式里面去
我们就会推出y方是等于9的
y方等于9
那么y就等于正3或者是负3
换句话说
我们的驻点就求出来了
驻点是什么
就是y就等于3或者是-3
如果y等于3时 x是三倍的y
x就是9
y等于-3时 x就应该是-9
这就是它的两个驻点 当然
这个隐函数在这个驻点的函数值
实际上我们也求出来了
因为z是等于y的
所以这个函数
在(9,3)这一点的值就是3
而这个函数
在(-9,-3)这一点的值就是-3
接下来我们为了判断一下
(9,3)这个驻点和(-9,-3)这个驻点
是不是极值点
我们需要用第三 第四 第五
三个关系式
比如说在x=9 y=3 z=3的时候
我们来看第三个关系式
一阶偏导数等于0
所以说用上y和z的值
我们就会把 在这点
z关于x的二阶偏导数求出来
这个时候 应该是等于1/6
如果我们来看第四个关系式
在一阶偏导数等于0的时候
我们把y的值z的值代进来
就会得到它的二阶混合偏导数
在这点的值
也就是我们的B
这时候求出来应该是-1/2
最后 我们看第五个关系式
驻点 一阶偏导数等于0
同时我们把y的值 z的值代进去
就会得到 在这一点
关于y的二阶偏导数的值
实际就是C的值 是5/3
那么有了这三点的值之后
请大家看一下 A乘C减B方它的符号
A乘C 也就是5/18
再减掉1/4
5/18当然是大于1/4的
所以这个应该是大于0的
同时我们看一下
A等于1/6当然是大于0的
这个表达式的值大于0
A大于0 所以说在(9,3)这一点
它取得的应该是极小值
换句话说 就是这一个
z在(9,3)这一点的值等于3
应该是这个函数的极小值
类似地 我们来考虑(-9,-3)这一点
还是用三四五三个等式
把y z它的值
以及一阶导数等于0的情况
放到第三个里面
我们会得出在这一点的关于x的
二阶偏导数的值应该是-1/6
我们把x y z的值
往第四个等式里面一代
考虑到一阶偏导数等于0
就会得到这一点B的值应该是等于1/2
相应地 我们考虑第五个等式
就会得到在这一点
关于y的二阶偏导数的值-5/3
那么 对于这三个数
大家来看一下它的AC减B方是什么
A乘C仍然是5/18
B方仍然是1/4
5/18减1/4当然是大于零的
但是 在这一点A是小于零的
所以说 我们得到的这个函数
在(-9,-3)这一点函数值-3
应该是它的一个极大值
这样我们求到了两个驻点
通过判定 正好知道这两个点里面
一个是极小 一个是极大
当然大家还会发现一个有趣的现象
实际上 函数值等于3时是极小
函数值等于-3时反而是极大
当然 这个在极值问题里面
是一个很正常的现象
因为极值是一个局部性质
我们并不能说因为
它是极大值 它是极小值
所以说极大就比极小来得大
不是的
极大也好极小也好
它只是在这点附近做比较
这时两个极值点之间没有任何关系
-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