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多元函数极值的计算

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多元函数极值的计算课程教案、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极值的计算

假设二元函数f(x,y)在区域D内有定义

对区域内的点P0

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)为极小值

可微极值点的必要条件是一阶偏导数都为零

也就是驻点

反之 驻点未必是极值点

可微极值点的充分条件是

判别式△<0

那么 如何确定二元函数极值点的位置

以及计算二元函数的极值

这就是本讲的主要内容

考察二元多项式函数f(x,y)

试求这个二元多项式函数的极值点和极值

我们对函数的性态作一个分析

这是一个显式函数

而且 多项式函数在整个平面上有定义

连续 无穷次可微

那么 这个二元多项式函数具有极值吗

如果有

极值点在哪里

极值又等于多少

为了求出这个二元多项式函数的

极值点和极值

我们在对求解可微函数极值点

做一个梳理

第一步 求驻点

如何求

令函数的一阶偏导数都为零

可得驻点坐标所满足的方程组

求解这个驻点方程组可得驻点

第二步 判定极值点

为什么要判定

因为驻点仅是可微极值点的必要条件

如何判定

考察二阶偏导数判别法是否适用

第三步 求极值

在第二步判别的基础上

求出函数在极值点的值

同学 拿出纸和笔

自己动手

按照上面的步骤

计算一下

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第一步 求驻点

令函数的一阶偏导数都为零

可得驻点方程组

为了求解这个驻点方程组

用(1)式减去(2)式

可得x立方减去y的立方等于零

进一步可解得x=y

再代入(1)式或(2)式

可得驻点M0 M1 M2

那么 这三个驻点都是函数的极值点吗

求多项式函数的二阶偏导数

在驻点M1 M2两点处我们都有

A>0 △<0

因此

驻点M1 M2都是函数的极小值点

而对于驻点M0

函数的二阶偏导数都等于-2

判别式△=0

因此 此时二阶偏导数判别法失效

那么 如何判别驻点M0是否为函数的极值点

同学 动脑想一想

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对于驻点M0

函数取值为零

那么 函数在M0点附近取值如何

计算可得

当x=y 并且0<|x|<1时

函数取值小于零

而当x=-y 并且0<|x|<1时

函数取值大于零

也就是说

在M0点附近

既有函数取正值的点

又有函数取负值的点

由极值的定义可知

驻点M0不是函数的极值点

第三步

将极小值点M1 M2代入函数的表达式

计算可得函数的极小值

同学 再简单回顾一下上面的计算过程

并与你的计算过程比较一下

有什么心得体会

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考察由三元方程

所确定的二元函数z=z(x,y)的极值

我们对函数的性态作一个分析

这是一个隐式函数

画出这个函数的图像

它像一粒花生米的形状

它的定义域是什么

函数可微性如何

是否具有极值

同学你有什么样的想法

前面求解显式函数极值的问题的三个步骤

求驻点 判别极值点

以及求极值

对隐式函数还适用吗

同学 拿出纸和笔

自己动手

计算一下

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第一步 求驻点

利用链式法则

对隐式方程两边

分别求关于变量x y的偏导数

可得方程组

再令z

关于变量x y的一阶偏导数都为零

可得驻点方程组

求解驻点方程组

可得驻点坐标

再将驻点坐标代入方程

可得函数z取值为1或3

那么 这两个值哪个是极大值

哪个是极小值

为什么

为了求出隐式函数的二阶偏导数

对前面所得到的一阶偏导数方程组

再分别求关于变量x y的偏导数

可得三个方程构成的方程组

当(x,y,z)=(0,1,1)时

函数的一阶偏导数都为零

代入二阶偏导数所满足的方程组

可以解出函数此时的二阶偏导数

并且A>0 △<0

因此 函数的极小值为z=1

当(x,y,z)=(0,1,3)时

函数的一阶偏导数都为零

代入二阶偏导数所满足的方程组

可以解出函数此时的二阶的偏导数

并且A<0 △<0

因此函数的极大值为z=3

当然对于这个具体的隐式方程

可以采用配方法

求解它的极值问题

同学拿出纸和笔

自己动手

计算一下

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本讲我们通过两个实例

展示了求解二元函数极值问题的

一般方法和典型的步骤

当然

这些可以推广到更多变元的函数情形

求解多元可微函数极值问题的一般思路是

首先求出驻点方程组

进而解得驻点的坐标

再设法判别驻点是否为极值点

最后代入极值点的坐标

求出函数的极值

这类问题的难点在于

对极值点的充分条件和必要条件

以及极值点定义的理解和把握

那么 如何求解函数的最值问题

有关多元函数最值的计算

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

多元函数极值的计算笔记与讨论

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