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 > 三元函数条件极值问题的提法(之二)
好 接下来我们看一下
三元函数在两个约束条件下的条件极值问题怎么提
我们仍然来求一个三元函数
f(xyz) 他的局部最大
或者是局部最小的问题
现在我们把xyz限定在一条曲线上
曲线方程我们以一般方程形式给出
也就是把曲线
看成是两张曲面的交线
所以说这就是三元函数
带有两个约束条件的条件极值问题的提法
从几何上看
也就是 我们并不是在
三元函数的定义域里面
来求他的局部最大最小
我们是在定义域中的某一条曲线上
来看他的最大最小值
对于一般的多元函数
我们最多可以带到n-1个约束条件
这个多元函数指的是n元函数
也就是说 对于一般的多元函数
我们来提条件极值问题的时候
可以这样来提
就是目标函数是f1 f(x1 x2 一直到xn)
这是个n元函数
我们的约束条件
如果带有一个的时候
就是g1(x1,x2...xn)=0
如果带有两个约束条件的时候
就是再加上一个g2(x1,x2...xn)=0
最多我们可以对n元函数
提到n-1个约束条件
就是gn1(x1,x2...xn)=0
这样 我们对一般的
多元函数的条件极值问题的提法
通过前面几个具体的例子
我们可以理解一般的
可以提成这个样子
现在我们来看一下
对于三元函数
在两个约束条件极值
约束条件下 他的条件极值点
应该满足什么条件
现在我们还是这样
就是说由这两个约束条件
我们在一定条件下
可以得到一个y是x的函数
z也是x的函数
那么 我们把这个xyz
限定在这条曲线上时
我们的目标函数的取值
应该就是f(x,y(x),z(x))
我把这个函数值用一个记号表示
给他表示成U
那么考虑这个条件极值问题的解
也就是要考虑这个非条件极值问题的解
对于非条件极值问题来说
在他导数存在的前提下
极值点导数一定等0
所以我们就求导
dU/dx应该就等于偏f偏x
加上偏f偏y再乘上dy/dx
再加上偏f偏z乘上dz/dx
这是链导法则
现在我们就看一下
这个y和z关于x的导数是怎么来的
实际上因为y(x)和z(x)这个一元函数是由这个等式确定的
那我们做的时候就在这个等式两端关于x求导
我们就会得到g关于x的偏导数
我用这个记号来表示
再加上g关于y的偏导数
再乘上dy/dx
再加上g关于z的偏导数
乘上dz/dx
他应该是等0的
接下来我们
在第二个方程两端关于x求导
我们就会得到
h关于x的偏导数
加上h关于y的偏导数乘上dy/dx
再加上h关于z的偏导数
再乘上dz/dx等于0
实际上 我们得到的这个方程组
这就是前面
我们求隐函数组的导数时用的方法
在这个方程组里面
我们把我们要的这两个导数值求出来
解一个线性方程组
我们就会得到dydx等于
分母上是一个二阶行列式的值
这个二阶行列式应该是
g关于x的偏导数
g关于z的偏导数
h关于y的偏导数
h关于z的偏导数
这样构成了一个二阶行列式
而分子上也是一个二阶行列式的值
他的两行分别是
g这个地方我们就
写成关于z的偏导数
g关于x的偏导数
第二行就是
h关于z的偏导数
h关于x的偏导数
这是这个导数
类似的 我们可以把dzdx表示出来
dzdx也就等于
分母跟dydx的分母是一样
也是一个二阶行列式的值
而分子应该是这一个二阶行列式
第一行也就是g关于x的偏导数
g关于y的偏导数
第二行h关于x的偏导数
h关于y的偏导数
所以说我们就利用约束函数
g和h把这两个导数表示出来了
那我们把这两个导数表达式
往这个等式里面一代
也就是得到了dUdx应该等于
偏f偏x再加上偏f偏y
乘上 我们在这个地方的dydx
二阶行列式
我就不再重抄一遍了
就乘上这个二阶行列式
再加上偏f偏z
再乘上dzdx这个表达式
也是两个二阶行列式之比
就得到这个东西
那么在条件极值点处
这个导数应该是等0的
这个导数应该等0
那么我们把这个东西转化一下
他也应该就等价于
这个行列式乘上他
也就是偏f偏x
这个行列式我们写一下
就是g关于y的偏导数
g关于z的偏导数
h关于y的偏导数
h关于z的偏导数
这就是这个行列式
再加上偏f偏y
乘上这个分子上的行列式
也就是g关于z的偏导数
g关于x的
h关于z的
还有h关于x的偏导数
再加上偏f偏z
乘上这个分子的二阶行列式
这应该是g关于x的偏导数
关于y的偏导数
h关于x的偏导数
h关于y的偏导数
他应该等0
这个等0
我们可以给他理解成
两个向量的内积等0
其中一个向量
就是由f的三个偏导数构成的
这当然是f这个三元函数的梯度向量
而另外一个向量
他的三个分量
正好是这三个二阶行列式做分量构成的
在前面我们介绍微分学的几何应用的时候
我们知道这三个二阶行列式
作为分量构成的向量
应该正好是
gxyz和hxyz两个三元函数的
梯度向量的叉积向量
也就是说这个公式正好等价于是
这个约束函数
他的梯度函数
与这两个向量的叉积向量
构成的这个向量
他的内积是等0的
因为我们知道
两个向量的叉乘是一个新的向量
这个向量与原来的这个向量
应该是垂直的
那么他与他这个点积等0
说明这个梯度向量
应该是与原来那两个梯度向量是共面的
因为他与
与这两个向量都垂直的一个向量是垂直的
所以说这样我们就得到了
这三个梯度向量是共面的
共面的时候
那么 我一定能找到两个实数
分别用λ和μ来表示
使得这个梯度向量
与这两个梯度向量的这样的线性组合
应该是一个0向量
应该是一个0向量
实际上我们最后这个等式
这就是我们常用的
三元函数在两个约束条件下
他的条件极值点应该满足的必要条件
这个我们就给他写成一个定理
写成一个定理
我们假设函数fxyz gxyz和hxyz
都是具有一阶连续偏导数
而且gxyz和hxyz的
梯度向量的差乘向量
不等于0向量
那么若x0y0z0这个点
是以gx hx为约束函数
fx为目标函数的条件极值问题的解
那么目标函数在这点的梯度向量
与这两个约束函数在这点的梯度向量
应该是共面的
也就是存在实数λμ
使得f的梯度向量
加上λ倍的g的梯度向量
再加上μ倍的h的梯度向量
等于0向量
在这个定理中
我们这给的这个条件
两个约束函数的梯度向量
叉乘不等于0向量
实际上就是在前面我们做计算时
这三个二阶行列式的值不能同时等0
这样就能保证我们作为一个方程组来说
它能够确定y和z是x的函数
或者说能够确定
xz是y的函数
当然或者能确定y是xz的函数
我们那三个二阶行列式不等于0
实际上就是保证
这两个方程构成的方程组
要么能够确定yz是x的函数
要么能够确定xz是y的函数
或者是能够确定xy是z的函数
也就是说我们刚才推导过程中
把这个函数
两个函数确定的那个隐函数
他的存在性就保证了
当然在整个推导过程中
我们做到 做了导数运算
导数运算 那就是说
应该满足我们这些求导法则的条件
实际上我们的条件
在这个定理里面加的
这三个函数具有一阶连续偏导数
和这个梯度向量的叉积不等0
就是保证了
我们在前面的运算都是成立的
实际上最后这个结果
我们也可以换一个角度来理解
在前面介绍微分学应用的时候
我们知道这两个曲面相交的曲线
他的切向量
应该就是这两个梯度向量的叉乘
而我们前面又说过
说 约束函数
如果让他的点
在一条曲线上变
那么目标函数
取到最大最小的时候
那么目标函数
他的梯度向量
应该是与曲线是垂直的
什么叫与曲线垂直
自然就是与曲线的切向量是垂直的
所以说我们就得到
这就是目标函数的梯度向量
而这就是那条曲线的切向量
他自然应该就是垂直的
这是关于三元函数
在两个约束条件下
条件极值点
应该满足的必要条件
-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