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 > 条件极值问题的直接解法
好 前面我们介绍了多元函数条件极值问题的提法
以及条件极值点的必要条件
接下来 从这一节开始
我们介绍一下
多元条件极值问题的求解方法
我们先介绍一类简单的求解方法
就是所谓的直接法
就是直接解法
我们看两个例子
第一个例子
我们就求这个函数
f(x,y)等于y方减x方
在这个条件也就是
4分之x平方加y方=1
它的最大最小值问题
在这个题目里面
因为约束条件
我们很容易就能得到x和y的关系
如果我们在约束条件里面
把x和y的关系解出来
我们代到目标函数里面去
就会把这个条件极值问题
转化成一个简单的非条件极值问题
所以说这个条件极值问题的求解方法
就是 我就有x方除上4加上方=1
我们就会得到这个y的平方等于1减掉x^2/4
当然这个x的取值范围是x属于-2到2这个闭区间
然后将这个y与x的关系代到目标函数里边去
这时候 在这个条件下
我们就 取u=f(x)然后把y与x关系带进来
这时候应该就等于y^2是1-x^2/4
再减掉x^2也就等于1-5x^2/4
其中x是属于-2到2的
那么我们来看
这个是x的一元函数
当x在这个范围变化时
它的最大值最小值是什么
实际上我们知道
当x取0时它取到最大值
当x取2或者是-2时
它应该是取到最小值
它的最大值是1最小值应该是-4
也就是说所以就这个函数f(x,y(x))
在-2到2上的最大值为1
最小值为-4
这样最后下的结论
也就是这个二元函数
在这个条件下的最大值是1 最小值是-4
我想这就是一个简单的条件极值问题的直接解法
我们来看第二个例题
第二个例题 我们考虑这么一个问题
假设下面是水
这是水平面 上面是空气
也就是这是空气 这个是水
现在我从A这点
有一条光线经过这个水面最后到达了B这点
假设它的入射点是C 是C
然后它经过水以后有个折射
到了B 现在我们假设它的入射角是α
这个折射角是β
A到水面的这个距离我们用小写的a来表示
B点到水面的距离我们用b来表示
而DE两点这个长度我们用小写的c来表示
现在我们的问题是这样子的
假设这个光在空气中的速度是v1
光在水中的速度是v2
如果光总是选择从A到B
它的时间最短这个原则的时候
我们来证明这么一个结论
也就是证明
我们的sinα就是入射角的正弦比上v1
应该是等于这个折射角的正弦值比上v2
也就是他在一个介质中
这个入射角或者折射角的正弦值
与它的速度是成正比的
就是这只是光的一个折射定律
现在我们来看看
怎么样在刚才说的那些条件下
得到这个结论
实际上我们就加了一个条件
就是说光总是选择从A 到B的用时最短
现在根据我们画的这个草图
那么光从A到这个点
也就是C点他走过的距离
我们可以用这个直角边a的长度
然后除上这个α的余弦来表示
也就是说这个长度AC应该就等于a除上cosα
而从C点到B点的距离
我们可以用这个距离b
来除上这个折射角的余弦来表示
也就是我们的BC应该等于b除上cosβ
那么光从A经过入射点C到了最后这个位置B
他所用的时间那么这个时间t
也就等于AC除上光在空气中的速度
再加上BC除上光在水中的速度
这样我们就会得到这个用的时间
与这个入射角和折射角之间的一个关系
最后我们是要求这个最小
那我们的条件是什么
在这个题目里面
我们的AB两点定了之后
那么这个DE两点就定了
所以我们的条件就是DE是定的
DE定了也就是说他们的距离是定的
而这个距离我们可以用DC与EC之和来表示
而DC可以表示成
就是这个a乘上这个角的正切
也就是a乘上tanα 这是DC
然后我们的EC可以等于
就是这个b乘上这个角的正切
也就是折射角的正切
也就是b乘上tanβ
有了这些讨论之后
那么我们看一下
这个问题他是一个什么的数学问题
实际上我们把它转化成一个数学问题
也就是要求这个时间最小
这个函数我们可以写成是这个样子
就是a除上cosα再除上v1
加上b除上cosβ再除上v2
求这个最小
而我们的约束条件是什么
约束条件也就是a乘上tanα
加上b乘上tanβ应该是个定值c
现在我们就来做这个问题
这个问题就是说 由第二个关系
我们自然就可以把β和α的关系建立起来
建立起来之后
我们用上这个关系 代到第一个
当然就可以把它处理成一个非条件极值问题
因为现在在这个问题里面
我们并不是要找
那个具体的最小的时间是多少
也不谈什么时候他取到那个最小的时间
我们只是谈一个关系
所以我们做的时候
就没必要把它写成具体的函数去进行求解了
我们只用这么一个关系
也就是说我假设u是等于f(α,β(α))
实际上这个就是我们这个约束函数
我只是假设β可以用α来表示
那么在取到极值的地方
我们就有这个du/dα
应该就等于f关于α的导数
也就是这个表达式关于α求导
那我们求一下 这个地方应该就是
一个a乘上一个sinα再除上v1cos^2α
这是关于α求导
然后再加上这个东西关于β求导
再乘上β关于α的导数
他关于β的导数就是bsinβ再除上v2cos^2β
再乘上dβ/dα
这个导数应该是等0的
那我们在这个里面这个表达式
我们还没有把约束条件用上
我们看看这个dβ/dα等于什么
也就是在这里面
在约束条件里面我们关于α求导
关于α求导的时候
那么我就会得到a乘上一个cos^2 α分之一
然后再加上一个b乘上cos β分之一
然后再乘上dβ/dα 它应该是等0
也就是两边我们关于α求导
把β当成是α的 那个 函数
这就是隐函数求导
这样我们就把这个dβ/dα得到了
我们代到这个关系式里面来
就会得到我们的du/dα应该就等于个asinα
然后是个v1cos方α
这个进去以后应该有一个负号
也就减掉一个b乘上sinβ v2cos方β
再乘上 乘上就是说这面是a除上cos方α
这是分子然后除上这个
也就是相当于乘上了一个b分之cos方β
这就是我们这个表达式
因为在条件极值点的地方
这个导数应该等0
所以说我们知道在满足用时最少的时候
这个等式一定是对的
那我们就给他整理一下
大家看一下
这个 和这个以及这个 两项就消掉了
然后这个b跟这个b消掉
cos方β跟这个cos方β 消掉
实际上我们就剩下了
sinα除上v1减掉sinβ除上v2应该是等0
而这就是我们要的结果
也就是推出了了
sinα除上v1等于一个sinβ除上v2
也就是说
如果光线他要满足用时最少这个原理的时候
那么它的入射角折射角
与在两个介质中的速度一定是满足这个等式的
这就是我们在物理里面学到的光的折射定律
-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