1.无约束极值#
设函数f定义在一个点p0的某个领域Up0内,若对于任何p∈Up0,有f(p)≤fp0,此时称f在p0取到极大值,若不等号反向,则称f在p0取到极小值。
设f(x,y)在点P(x0,y0)取到极值,则对任何实数h,考虑两个一元函数φ(t)=f(x0+th,y0),ψ(t)=f(x0,y0+th)(要求偏导数存在)
均在t=0取极值,有Fermat引理
φ′(0)=fx(x0,y0)h=0,ψ′(0)=fy(x0,y0)h=0
由于h的任意性,fx(x0,y0)=fy(x0,y0)=0
定理4.3(极值的必要条件)#
设函数f在点X0的一阶偏导数都存在,若f在X0取极值,则∇f(X0)=0
选Φ(t)=f(x0+tk,y0+th)需要可微
满足∇f(X0)=0的点X0称为驻点
极值点一定是驻点(函数一阶偏导数存在时),反过来不成立,例如鞍点
由Taylor公式
f(X0+ΔX)−f(X0)=⟨∇f(X0),ΔX⟩+21(ΔX)THf(X0)ΔX+o(∣∣ΔX∣∣2)
若X0是驻点,则
f(X0+ΔX)−f(X0)=21(ΔX)THf(X0)ΔX+o(∣∣ΔX∣∣2)
定理4.4(极值充分条件)设f(X)在U(X0)内二阶偏导数连续,∇f(X0)=0且Hf(X0)为f在点X0的Hesse矩阵(∂Xi∂Xj∂2f)(X0)n×n,#
若Hf(X0)是正定(负定)矩阵,则f(X0)为极小(大)值,
因为Hf(X0)是实对称矩阵,存在实正交矩阵Q,使得
QTHf(X0)Q=diag{λ1,...,λn}
其中λ1,...,λn为Hf(X0)的实特征值,令ΔX=Q⋅y,则
Δz=21yTQTHf(X0)Qy+o(∣∣y∣∣2),y=(y1,..,yn)T=21yTdiag{λ1,...,λn}y+o(∣∣y∣∣2)=21(λ1y12+...+λnyn2)+o(y12+...,yn2)对二元函数f(x,y),记
A=fxx(X0),B=fxy(X0),C=fyy(X0),Hf(X0)=(ABBC)
(1)A>0,AC−B2>0,X0−>min(2)A<0,AC−B2>0,X0−>max(3)AC−B2<0,X0−>nope(4)AC−B2=0,X0−>uncertainf(x,y)=x2,(0,0)是极小值点,但A=2,B=C=0
g(x,y)=x2+y,(0,0)不是极值点,但A=2,B=C=0
例4.2 求f(x,y)=x3+y3+3xy的极值#
解:
先求驻点
fx=3x2+3y=0
fy=3y2+3x=0
则P1(0,0),P2(−1,−1)为两个驻点
再求二阶偏导数
fxx=6x
fxy=3
fyy=6y
于是
Hf(P1)=(0330),Hf(P2)=(−633−6)
因为Hf(P1)不定,Hf(P2)负定,则P1不是极值点,P2为极大值点,f(P2)=1为极大值
例4.3 f(x,y)=2x2−3xy2+y4的极值点#
解:
fx=4x−3y2=0
fy=−6xy+4y3=0
驻点P(0,0)
fxx=4
fxy=−6y
fyy=−6x+12y2
fxx(0,0)=4,fxy(0,0)=0,fyy(0,0)=0
此时AC−B2=0
有因为f(x,y)−f(0,0)=(2x−y2)(x−y2)
在x>y2,2x<y2时大于零,21y2<x<y2时小于零
因此,f(0,0)=0不是极值
ex.2 方程2x2+y2+z2+2xy−2x−2y−4z+4=0(∗)所确定的隐函数z=Z(x,y)的极值#
(下面的求导是我自己算的,解法在解后面)
zx=4x+2z∂x∂z+2y−2−4∂x∂z=4x+2y−2=0
zy=2y+2z∂y∂z+2x−2−4∂y∂z=2y+2x−2=0
zxx=4+2(∂x∂z)2+(2z−4)∂x2∂2z
zxy=2∂x∂z∂y∂z+2−4∂x∂y∂2z
zyy=2+2(∂x∂z)2+(2z−4)∂x2∂2z
解:
对(∗)取微分
0=4xdx+2ydy+2zdz+2ydx+2xdy−2dx−2dy−4dz=(4x+2y−2)dx+(2y+2x−2)dy+(2z−4)dz(∗2)先求驻点,令dz=0
(4x+2y−2)dx+(2y−2x−2)dy=0
由于dx,dy的任意性
4x+2y−2=0,2y−2x−2=0
则x=0,y=1带入(∗)得z2−4z+3=0
则z=1或z=3,说明(∗)在(0,1,1),(0,1,3)附近分别确定一个隐函数z=Z1(x,y),z=Z2(x,y)
对(∗2)取微分,得
0=(4dx+2dy)dz+(2dy+2dx)dy+2(dz)2+(2z−4)d2z=4(dx)2+4dxdy+2(dy)2+(2z−d)d2zdz=0则
d2z=2−z1(2(dx)2+2dxdy+(dy)2)
当x=0,y=1,z=1时,d2z=2(dx)2+2dxdy+(dy)2
A=2,B=2,C=1,Hz1(0,1)=1,Z1(0,1)=1为极小值
当x=0,y=1,z=3时,d2z=−2(dx)2−2dxdy−(dy)2
A=−2,B=−2,C=−1,Hz2(0,1)=1,Z1(0,1)=3为极大值
2.最大值,最小值 有界闭区域上的连续函数可取到#
最大值,最小值,他们可能在区域内部取到(此时他们是极值),也能在边界上取到
例4.4 f(x,y)=x2+2x2y+y2在圆域D={(x,y)∣x2+y2≤1}上的最值
解:
fx=2x+4xy=0
fy=2x2+2y=0
驻点P1(0,0),P2(21,−21),P3(−21,−21),以及f(P1)=0,f(P2)=f(P3)=41
在D的边界上x2+y2=1,f(x,y)=1+2(1−y2)y=φ(y),∣y∣≤1
由φ′(y)=2−6y2=0得y=±31,φ(±31)=1±943
比较这几个值即可
maxDf=1+943,minDf=0
ex.3证明:圆的外切三角形中,正三角形的面积最小#
Proof
假设圆的半径为a,则三角形面积为
S=a2(tan(2α)+tan(2β)+tan(2γ))=a2(tan(2α)+tan(2β)−tan(2α+β))
α+β+γ=2π,D:0<α,βπ,α+β>π
即△ABC,不含三边
先求驻点
Sα=a2(sec2(2α)−sec2(2α+β))=0
Sβ=a2(sec2(2β)−sec2(2α+β))=0
cos(2α)=cos(2β)=∣cos(2α+β)∣
有唯一解α=β=32π
A=Sαα=43a2
B=Sαβ=23a2
B=Sαβ=43a2
A>0,AC−B2>0
因此S在(32π,32π)取到极小值33a2
下面证明:minDS=33a2
其一,S在D上连续,但D不是有解闭域,S在D上处处有偏导数
其二,S在△ABC的边界附近的值远大于33a2
当α+β−>π+0时,S>2a2(−tan(2α+β))趋向正无穷
当α−>π−0时,S>2a2tan(2α)趋向正无穷
β类似
其三,直线α+β=π−δ,α=π−δ,β=π−δ围成△A1B1C1
则D=△A1B1C1∪(int△ABC−△A1B1C1)=D1∪(D−D1)
其中D1=△A1B1C1时有界闭域且存在δ>0使得S∣D−D1>63a2
于是minDS=minD1S
在D1的内点(32π,32π)取到
因此minD=S(32π,32π)=33a2