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多元函数最值的计算

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多元函数最值的计算课程教案、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最值的计算

如果二元函数f(x,y)在有界

闭区域D上连续

那么 函数f在D上一定有最值

这是最值的存在性结论

但是 函数的最值在哪里达到

这就是涉及最值的计算问题了

上面的存在性定理对此没有任何说明

函数的最值可能在

区域的边界点

区域内部不连续或者不可微的奇点

以及区域内部的极值点达到

那么 如何确定二元函数最值点的位置

以及计算函数的最值

这是本讲的主要内容

考察二元函数f(x,y)

在椭圆闭域上的最大值和最小值

我们对函数的性态作一个分析

这是一个多项式函数

它在椭圆闭域上连续 无穷次可微

椭圆闭域是一个有界闭区域

因此 这个二元多项式函数

在椭圆闭域上一定有最大值和最小值吗

那么 如何求出二元多项式函数

在椭圆闭域上的最值

为了求出这个二元多项式函数

在椭圆闭域上的最值

我们针对函数

可能达到最值的三种情形分别讨论

注意到多项式函数没有奇点

此时 只需讨论区域内部的

极值点和区域的边界点

因此 对于本题求解多项式函数的最值问题

可以分以下三步

第一步 求出函数在区域内部的极值

第二步 求出函数在区域边界上的极值

第三步 比较以上两类极值的大小

确定函数的最值

同学 拿出纸和笔

自己动手

按照上面的步骤计算一下

到学习讨论区与小伙伴们交流交流吧

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

直接解得唯一一个驻点 坐标原点

第二步判定驻点是否为极值点

为此 再对函数的一阶偏导数求偏导数

得到函数的二阶偏导数

进而得到A>0,△<0

因而 唯一的驻点即坐标原点

是函数的极小值点

极小值为2

那么函数在椭圆域内部有极大值吗

第二求函数在边界上的极值

为此 我们将边界 椭圆作参数化

再代入二元函数的表达式

这样得到一个关于参数θ的一元函数

参数θ变化范围是从零到2π

为了求出关于参数θ的

一元函数g(θ)的极值

对它求导

得到驻点方程

解得驻点θ=0,π/2,π,3π/2,2π

那么 这些参数θ对应的点是哪些

这些点是函数在边界上的极值点吗

同学动脑想一想

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

注意到

参数θ=0和θ=2π对应的是同一个点

因此 我们得到函数在边界上的

四个驻点M1 M2 M3 M4

计算函数在边界上驻点的取值

可得函数在M1 M3点的取值都等于3

在M2和M4点的取值都等于6

有了上面的分析

函数的最大值和最小值分别等于多少

对 函数在M2 M4点取值6

就是函数在椭圆闭域上的最大值

它在区域内部的极小值2

就是函数在椭圆闭域上的最小值

同学

再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

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

考察由二元函数z

在椭圆闭域上的最大值和最小值

我们对函数的性态作一个分析

这是一个多项式函数

它在椭圆闭域上连续 无穷次可微

椭圆闭域是一个有界闭区域

因此

这个二元多项式函数在椭圆闭域上

一定具有最大值和最小值吗

如何求出二元多项式函数

在椭圆闭域上的最值

对于本题的求解多项式函数的最值

也可以分为以下三步

第一步 求出函数在区域内部的极值

第二步 求出函数在区域边界上的极值

第三步 比较以上两类极值的大小

确定函数的最值

同学 拿出纸和笔

自己动手

按照上面的步骤 计算一下

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

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

这两个方程事实上是同一个方程

因此 只有一个关于变量x y的一次方程

它在xy平面上是一条直线

这条直线的点都是二元函数的驻点

因此 这条直线称为二元函数的驻点线

这条驻点线与椭圆域的相对关系如何

从图像上看

这条驻点线在椭圆域的外面

那么 如何从代数上验证这个结论

从驻点线的方程中

解出变量x

再代入椭圆域边界椭圆的方程左边

再配方可得

左端大于4

所以 驻点线在椭圆域的外面

也就是说

在椭圆域内部

函数没有驻点

因此

函数在椭圆域内部取不到极值

更别说最值了

那么 函数的最值在哪里达到

只能在边界上达到

为了求出函数在边界上的极值和最值

可以采用前面的参数化方法

不过计算有点复杂

同学 拿出纸和笔

自己动手 计算一下

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

下面我们采用另外一种方法

来求函数在边界上的极值和最值

注意观察函数的表达式

它是2x+3y-6这个式子整体的平方

也就是说

二元函数只依赖于t=2x+3y-6的取值

几何上就是

平面上的点到驻点线的距离

为了求出二元函数在边界 椭圆上的最值

考察椭圆上的点到驻点线的距离的最值

平行移动驻点线

它与椭圆有两个位置是相切的

这两个位置就是椭圆上点

到驻点线距离的最小值和最大值

那么如何确定这两个点

分别对驻点线以及椭圆方程两边求全微分

当对应系数成比例时

两者相切

再代入椭圆方程

解得两个点

函数在这两个点的取值分别为1和121

因此函数的最小值为1

最大值为121

同学比较一下

刚才的解法与参数法

哪个更简便

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

本讲我们通过两个实例

展示了求解二元函数

最值问题的一般方法和典型步骤

当然

这些可以推广到更多变元的函数情形

求解多元可微函数的最值问题的一般思路是

首先在区域内部

求出驻点方程组

进而

解得驻点坐标

再判定驻点是否为函数在区域内的极值点

最后代入极值点坐标

求出函数的极值

其次在区域边界上

约化为一元函数

再求这个一元函数的驻点

再判定驻点是否为函数在边界上的极值点

最后代入极值点坐标

求出函数的极值

最后 比较上面求出函数

在区域内部和边界上的极值

得出函数的最值

求解函数在边界上的极值

还可以充分利用函数以及边界方程的特点

利用几何上的提示

这个方法也具有一般性的

以后在大学微积分中

我们将抽象出一般性的原理和方法

即拉格朗日乘数法

有关多元函数的微分学及其应用

我们就学到这里

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

多元函数最值的计算笔记与讨论

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