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多元函数的最值与极值

下一节:多元函数极值的计算

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多元函数的最值与极值课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课

《多元微积分》MOOC课堂

我是中国科大 微积分老师

宣本金

网上人称“笨笨熊”老师

本讲 我们来学习多元函数的最值与极值

在一元微积分中

我们学习了一元函数最值与极值的

定义 判定和计算

函数的最值与极值的区别在于

函数取值的大小关系式

是在整个定义域内成立

还是在局部成立

对于一元连续函数

它的可能的最值点

是区间的端点和极值点

而可能的极值点

是不可微的奇点

以及一阶导数为零的驻点

进一步地

我们探究了函数极值点的判定方法

那么

如何定义和判定二元函数的最值和极值

这就是本讲的主要内容

假设二元函数f(x,y)在区域D内有定义

对区域D内的点P0

P0何时为二元函数的最小值点

类似于一元函数最值的定义

我们可以给出二元函数最值的定义

即如果不等式f(P0)≤f(P)在区域D内成立

则称P0为最小值点

f(P0)为最小值

那么 二元函数的最值一定存在吗

如何判定函数的最值点

计算函数的最值

对于一元函数最值的存在性

我们知道

有界闭区间上的连续函数一定有最值

将这个结论推广到二元函数情形

就是有界闭区域上的连续函数一定有最值

那么如何判定

和计算二元连续函数的最值

二元函数可能的最值点

是区域的边界点、不可微的奇点

以及一阶偏导数都为零的驻点

考察二元函数f(x,y)

它在整个平面上都是有定义的

并且连续 可微

它在原点处取值为零

而在其它点任意点处的取值都大于零

因此

坐标原点就是二元函数的最小值点

函数的最小值就是零

那么 函数在它的最小值点有什么特点

我们来计算函数在最小值点的偏导数

利用链式法则

可以求出函数在原点处的一阶偏导数都为零

这说明 最小值点是函数的驻点

进一步地

计算函数在原点处的二阶偏导数分别2 0 4

由此可以得到

函数在原点处的二阶泰勒多项式

同学

由此你可以总结出什么样的一般性的结论

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

考察二元多项式函数g(x,y)

采用控制变量法

比如令y=0

即g(x,0)=x²-x³

而令x=0

则g(0,y)=2y²+y³

它们都是关于一个变量的一元多项式

并且在各自的定义域内既无上界

又无下界

因而函数没有最值

在坐标原点附近

考察函数的取值情况

首先函数在原点的取值为零

其次在原点附近

函数取值都是大于等于零

因此

原点是函数在原点附近的局部的最小值点

也就是 原点是函数的极小值点

函数在原点的取值

零是函数的极小值

那么 函数在极小值点

原点的附近有什么特点

我们知道

多项式函数在全平面内连续 无穷次可微

直接计算函数在原点处的一阶偏导数都为零

这说明

这个最小值点是函数的驻点

进一步地

计算函数的二阶偏导数分别2 0 4

由此可以得到

函数在原点处的二阶的泰勒多项式

同学 由此你可以总结出

函数极值点和极值的一般性的定义吗

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

假设二元函数f(x,y)在区域D内有定义

对区域内的点P0

P0何时为二元函数的极小值点

类似于一元函数极值的定义

如果存在P0的一个邻域N

使得不等式f(P0)≤f(P)

在N与D的交集内成立

则称P0为一个极小值点

f(P0)为一个极小值

那么

二元函数一定具有极值点和极值吗

如何判定函数的极值点和计算极值

对于二元函数

是否具有类似于

一元函数极值点的费马定理成立

即假设二元函数f(x,y)在点P0处取极小值

并且在点P0处可微

那么是否可以得到

二元函数在点P0处的一阶偏导数都为零

对于这个结论

我们可以直接利用

函数极值点和偏导数的定义

进行推导

也可以利用控制变量法

即令y=y0保持不变

仅让变量x变化

这样就可以得到一个

关于变量x的一元函数

或者令x=x0保持不变

仅让变量y变化

这样就可以得到一个

关于变量y的一元函数

此时 它们分别在x=x0

和y=y0处取到各自的极小值

因此

它们关于各自变量的导数都为零

也就是驻点

综合起来就是

可微极小值点P0是二元函数的驻点

这就是可微极值点的必要条件

那么这个条件也是充分的吗

考察二元多项式函数h(x,y)

令它的两个一阶偏导数都为零

得到驻点所满足的方程

解得驻点为(0,0)

那么 这个驻点是函数的极值点吗

还是利用控制变量法

来研究这个二元多项式函数

当y=0时h(x,0)=x²

它的取值始终大于等于零

而当x=0时h(0,y)=-y²

它的取值始终小于等于零

并且沿x轴

原点是极小值点

而沿y轴

原点是极大值

因此

原点是二元多项式函数h(x,y)的鞍点

再计算函数在原点处的二阶偏导数分别2 0 -2

由此可以得到

函数在原点处的二阶泰勒多项式

同学

由此你可以总结出什么样的一般性结论

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

对于二阶可微函数f(x,y)

以及它的驻点P0

在什么情况下

驻点P0一定是二元函数f(x,y)的极值点

考察函数f在驻点P0处的

二阶的泰勒多项式展开式

因为函数在驻点处的一阶偏导数为零

因此

泰勒多项式的一阶项的系数都为零

剩下的常数项和二次项

再考察泰勒多项式的二次项

可以将微分算子的平方展开

并将Δy的平方提出去

再令自变量增量比值为t

可以得到一个关于变量t的一元二次三项式

这个一元二次三项式的取值有什么样的规律

对于二阶可微函数f(x,y)以及驻点P0

记函数f在驻点P0处的二阶的偏导数

分别为A B C

则函数的增量

约等于一个关于变量t的一元二次三项式

对于这个一元二次三项式的系数

和判别式作分类讨论

可以得到这个

一元二次三项式的取值分布情况

情形1当A>0 Δ<0时

此时 一元二次三项式的取值恒大于零

这样 函数的增量一定大于等于零

由此P0是函数的极小值点

情形2当A<0 Δ<0时

此时 一元二次三项式取值恒小于零

这样 函数的增量一定小于等于零

由此P0是函数的极大值点

情形3 当Δ>0时

此时 一元二次三项式的取值有正有负

也就是函数增量有正有负

因此 P0不是函数的极值点

情形4 当Δ=0时

则二阶导数判别法失效

需要更高阶偏导数的信息

同学 如果对此感兴趣

可以进一步的深入探讨

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

我们再回过头来看看

前面考察过的三个实例

对于第一个 第二个例子

它们在原点处的一阶偏导数都等于零

说明原点是函数的驻点

函数在原点处的二阶偏导数分别为2 0 4

因此 一元二次三项式的首项系数A>0

判别式小于零

由此可知

原点是二元函数的极小值点

而对于第三个例子

它在原点处的一阶偏导数都为零

说明原点是函数的驻点

函数在原点处的二阶偏导数分别是2 0 -2

由此 一元二次三项式的首项系数A>0

判别式大于零

由此可知

原点不是二元函数的极值点 而是鞍点

本讲

我们探究了多元函数的最值和极值

最值又分为最大值和最小值

从存在性的角度来说

有界闭区域上的连续函数

一定具有最大值和最小值

从计算的角度来看

二元函数可能的最值点

是区域的边界点 不可微的奇点

以及一阶偏导数都为零的驻点

极值又分为极大值和极小值

对于一阶可微的极值点

必要条件是一阶偏导数都为零

但是这个条件不是充分的

对于二阶可微的极值点

可以利用函数在驻点处的二阶偏导数信息

给出驻点是否为极值点的二阶偏导数判别法

那么 如何计算多元函数的极值

有关多元函数的极值的计算

请听下回分解

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-第一节 空间直角坐标系

--平面初等几何

--平面解析几何

--空间直角坐标系

--空间图形与方程

-第一节 空间直角坐标系--作业

-第二节 空间向量及其运算

--向量及其几何表示

--向量的代数表示

--向量的数量积

--数量积的应用

--平面方程及其应用

--向量的向量积

--向量积的应用

-第二节 空间向量及其运算--作业

-第三节 空间解析几何

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-第一节 多元函数

--平面点集及其分类

--多元函数

-第一节 多元函数--作业

-第二节 多元函数的极限

--二重极限的定义

--二重极限的性质

--二重极限的计算

-第二节 多元函数的极限--作业

-第三节 多元函数的连续性

--多元函数的连续性

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-第一节 偏导数与方向导数--作业

-第二节 多元函数的一阶可微性

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-第二节 多元函数的一阶可微性--作业

-第三节 一阶微分的应用

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-第三节 一阶微分的应用--作业

-第四节 多元函数的高阶可微性

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-第四节 多元函数的高阶可微性--作业

-多元微分学总结

--多元微分学总结

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业

-第二节 二重积分的计算

--极坐标系下的二重积分

--二重积分的换元法

--二重积分计算举例

-第二节 二重积分的计算--作业

-第三节 二重积分的应用

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-第三节 二重积分的应用--作业

-第四节 直角坐标系下的三重积分

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--三重积分计算举例

-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业

-第五节 其它坐标系下的三重积分

--柱坐标系下的三重积分

--球坐标系下的三重积分

-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业

-第六节 三重积分的计算与应用

--三重积分的换元法

--三重积分应用举例

-重积分总结

--重积分总结

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业

-第二节 第一型曲面积分及其应用

--曲面的面积

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业

-曲线曲面积分总结

--曲线曲面积分总结

多元函数的最值与极值笔记与讨论

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