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条件极值问题的直接解法

下一节:条件极值问题的Lagrange解法

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条件极值问题的直接解法课程教案、知识点、字幕

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

微积分——多元函数与重积分课程列表:

第一章 多元函数微分学

-第一节 多元连续函数

--向量的内积与长度-1

--向量的内积与长度-2

--R^n中的点列的收敛性

--内点、外点、边界点-1

--内点、外点、边界点-2

--开集、闭集、区域

--多元函数的有关概念

--二重极限的定义

--二重极限的例题

--二次极限的定义

--连续与一致连续的定义

--连续函数的性质-1

--连续函数的性质-2

--连续函数的性质-3

-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

--混和偏导数与求导顺序无关的条件

-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

--复合函数微分法之一

--复合函数微分法之二

--复合函数求导数(举例)

--隐函数存在定理

--隐函数求导法(举例)

--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

--梯度向量的概念与计算

-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

--映射与连续映射的概念

--映射的导数、微分、雅克比矩阵

--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)

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式

--二元函数有Peano型余项的Taylor公式-2

--二元函数带有Lagrange型余项的泰勒公式

-第一章 多元函数微分学--第七节练习题

第二章 多元函数微分学应用

-第一节 多元函数微分学的几何应用

--空间曲线的切线与法平面(之一)

--空间曲线的切线与法平面(之二)

--空间曲线的切线与法平面问题举例

--曲面的切平面与法线(之一)

--曲面的切平面与法线(之二)

--曲面的切平面与法线(之三)

--曲面的切平面与法线问题举例

-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

--极值点的概念和必要条件

--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

--二元函数条件极值问题的提法

--三元函数条件极值问题的提法(之一)

--三元函数条件极值问题的提法(之二)

--条件极值问题的直接解法

--条件极值问题的Lagrange解法

--条件极值问题举例

--多元函数在有界闭域上的最值

--最小二乘法

-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题

第三章重积分

-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

--关于二重积分性质的例题

-第二节 二重积分的计算

--二重积分的计算:直角坐标系(1)

--二重积分的计算:直角坐标系(2)

--二重积分的计算:直角坐标系(3)

-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

--二重积分的一般坐标变换公式

--二重积分的计算:极坐标系

--二重积分的计算:极坐标系例题

--二重积分的计算:一般坐标系例题

-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

--三重积分的计算:例题(1)

--三重积分的计算:例题(2)

--空间坐标变换

--空间柱坐标系

--空间柱坐标系例题(1)

--空间柱坐标系例题(2)

--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

--第一类曲线积分的引入

--第一类曲线积分的定义

--第一类曲线积分的性质

--第一类曲线积分的计算公式

--第一类曲线积分的计算例题

-第三章重积分--第五节 练习题

-第六节 第一类曲面积分

--第一类曲面积分的引入

--第一类曲面积分的定义

--第一类曲面积分的性质

--第一类曲面积分的计算公式

--第一类曲面积分的计算例题(1)

--第一类曲面积分的计算例题(2)

-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

--广义含参积分的连续性和积分导数

-第三章重积分--第七节 练习题

第四章 向量分析

-第一节 第二类曲线积分

--第二类曲线积分的引入

--第二类曲线积分的定义

--第二类曲线积分的性质第二类曲线积分的性质

--第二类曲线积分的性质

-第四章 向量分析--第一节 练习题

-第二节 Green公式及其应用

--平面第二类曲线积分:Green公式

--平面第二类曲线积分的计算:利用Green 公式

-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

--第二类曲面积分的引入

--第二类曲面积分的定义与性质

--第二类曲面积分的计算

-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

--第二类曲面积分的计算:Gauss公式

--Stokes公式及其应用

-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

第五章 常微分方程

-第一节 微分方程的基本概念

--微分方程概念举例

--微分方程的基本概念

--一阶微分方程定解问题解的存在唯一性

-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

--可化为齐次型方程的方程

--一阶线性微分方程的概念和解的性质

--一阶线性微分方程的解法

--Bernoulli方程

--可降阶方程(之一)

--可降阶方程(之二)

-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

--线性微分方程解的性质

--函数组线性相关(无关)的概念

--函数组线性相关的必要条件

--线性微分方程解函数组线性相关的判别法

--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

--视频5--17 二阶线性齐次微分方程的特征法

--n阶线性齐次微分方程的特征法

-- 线性齐次微分方程的特征法举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之一)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)

--二阶线性常系数非齐次微分方程的待定系数法(之二)举例

--二阶线性常系数非齐次微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法

--二阶线性微分方程的变动任意常数法(之二)

--欧拉方程

--欧拉方程举例

-第五章 常微分方程--第四节 练习题

条件极值问题的直接解法笔记与讨论

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