多元函数的极值和最值

练习题
一、填空题: 1、函数 f ( x, y) (6x x 2 )(4 y y 2 ) 在_______点取 得极_________值为___________. 2、函数 z xy 在附加条件x y 1 下的极______值 为_____________. 3、方程 x 2 y 2 z 2 2x 4 y 6z 2 0 所确定的 函数z f ( x, y) 的极大值是___________,极小值 是_____________.
Ay
2( x
2 y2
)
0
根据实际问题可知最小值在定义域内应存在, 因此可
断定此唯一驻点就是最小值点. 即当长、宽均为 3 2
高为
3
2 23
2
3
2
时,
水箱所用材料最省.
例4. 有一宽为 24cm 的长方形铁板 , 把它折起来做成
一个断面为等腰梯形的水槽, 问怎样折法才能使断面面
积最大.
解: 设折起来的边长为 x cm, 倾角为 , 则断面面积
若 f ( x0 , y)及 f ( x, y0 ) 在( x0 , y0 ) 点均取得 极值，则 f ( x, y)在点( x0 , y0 )是否也取得极值？
思考题解答
不是. 例如 f ( x, y) x 2 y 2,
当x 0时， f (0, y) y2在(0,0) 取极大值; 当 y 0时， f ( x,0) x 2在(0,0) 取极小值; 但 f ( x, y) x2 y2在(0,0) 不取极值.
条 件 极 值 : 对自变量除定义域限制外,
还有其它条件限制 条件极值的求法:
方法1 代入法. 例如 ,
在条件(x, y) 0下, 求函数 z f (x, y) 的极值
转 化
从条件(x, y) 0中解出 y (x)
求一元函数 z f (x, (x)) 的无条件极值问题
条件极值：对自变量有附加条件的极值．
Fx 3 x2 y2z 0
则
Fy 2x3 yz 0 Fz x3 y2 0
x y z 12
解得唯一驻点(6,4,2) ，
故最大值为 umax 63 42 2 6912.
四、小结
多元函数的极值
（取得极值的必要条件、充分条件）
多元函数的最值 拉格朗日乘数法
思考题
件为
f x ( x0 , y0 , z0 ) 0， f y ( x0 , y0 , z0 ) 0， fz ( x0 , y0 , z0 ) 0.
仿照一元函数，凡能使一阶偏导数同时为零 的点，均称为函数的驻点.
注意： 驻点
极值点
例如, 点(0,0)是函数z xy的驻点，但不是极值点.
问题：如何判定一个驻点是否为极值点？
购买 x 张磁盘，y盒录音磁带达到最佳效果， 效果函数为 U( x, y) ln x ln y．设每张磁
盘8元，每盒磁带10元，问他如何分配这200 元以达到最佳效果．
问题的实质：求 U( x, y) ln x ln y 在条 件 8x 10 y 200下的极值点．
无条件极值: 对自变量只有定义域限制 极值问题
x y
,
故有
fx
f
y
x y
0
记
fx fy
x y
极值点必满足
fx x 0 f y y 0 (x, y) 0
引入辅助函数 F f (x, y) (x, y)
则极值点满足:
辅助函数F 称为拉格朗日( Lagrange )函数. 利用拉格 朗日函数求极值的方法称为拉格朗日乘数法.
推广
拉格朗日乘数法可推广到多个自变量和多 个约束条件的情形.
例如, 求函数 u f (x, y, z) 在条件 (x, y, z) 0,
(x, y, z) 0下的极值.
设 F f (x, y, z) 1(x, y, z) 2 (x, y, z)
解方程组
可得到条件极值的可疑点 .
例5. 要设计一个容量为 V0 的长方体开口水箱, 试问
二、在 平 面 xoy 上 求 一 点 , 使 它 到 x 0, y 0 及 x 2 y 16 0三直线的距离平方之和为最小.
三、求内接于半径为a 的球且有最大体积的长方体.
四、在第一卦限内作球面 x 2 y 2 z 2 1的切平面,使 得切平面与三坐标面所围的四面体的体积最小,求 切点的坐标.
设函数 z f ( x, y)在点( x0 , y0 )具有偏导数，且 在点( x0 , y0 )处有极值，则它在该点的偏导数必 然为零： f x ( x0 , y0 ) 0， f y ( x0 , y0 ) 0 .
证 不妨设z f ( x, y)在点( x0 , y0 ) 处有极大值, 则对于( x0 , y0 )的某邻域内任意 ( x, y) ( x0 , y0 ) 都有 f ( x, y) f ( x0 , y0 ),
f (P)为极小(大) 值
f (P)为最小(大) 值
例3. 某厂要用铁板做一个体积为2 的有盖长方体水
问当长、宽、高各取怎样的尺寸时, 才能使用料最省?
解: 设水箱长,宽分别为
x , y m ,则高为
2 xy
m
,
则水箱所用材料的面积为
2x y
2 x
2 y
令
Ax
2( y
2 x2
)
0
得驻点 ( 3 2 , 3 2 )
每天的收益为 f ( x, y)
( x 1)(70 5x 4 y) ( y 1.2)(80 6x 7 y)
求最大收益即为求二元函数的最大值.
二、多元函数的极值和最值
观察二元函数 z
xy ex2 y2
的图形
播放
1、二元函数极值的定义
设函数z f ( x, y)在点( x0 , y0 ) 的某邻域内 有定义，对于该邻域内异于( x0 , y0 ) 的点( x, y) ： 若满足不等式 f ( x, y) f ( x0 , y0 ) ，则称函数 在 ( x0 , y0 ) 有 极 大 值 ； 若 满 足 不 等 式 f ( x, y) f ( x0 , y0 ) ，则称函数在( x0 , y0 ) 有极
定理 2（充分条件）
设函数z f ( x, y)在点( x0 , y0 )的某邻域内连续，
有一阶及二阶连续偏导数，
又 f x ( x0 , y0 ) 0, f y ( x0 , y0 ) 0 ， 令 f xx ( x0 , y0 ) A， f xy ( x0 , y0 ) B ，
f yy ( x0 , y0 ) C ， 则 f ( x, y)在点( x0 , y0 ) 处是否取得极值的条件如下： （1）AC B2 0时具有极值，
拉格朗日乘数法
要找函数z f ( x, y)在条件 ( x, y) 0 下的
可能极值点，
先构造函数F ( x, y) f ( x, y) ( x, y)，
其中 为某一常数，可由
f f
x y
( (
x, x,
y) y)
x y
( (
x, x,
y) y)
0, 0,
பைடு நூலகம்
( x, y) 0.
解出 x, y, ，其中x, y 就是可能的极值点的坐标.
sin 0 , x 0
12 2x x cos 0
24cos 2x cos x(cos2 sin2 ) 0
解得:
60, x 8 (cm)
3
由题意知,最大值在定义域D 内达到, 而在域D 内只有
一个驻点, 故此点即为所求.
三、条件极值拉格朗日乘数法
实例： 小王有200元钱，他决定用来购买两 种急需物品：计算机磁盘和录音磁带，设他
为
1 (24 2x 2x cos
2
) xsin
24xsin 2x2 sin x2 cos sin
(
D
:
0
x
12,
0
2
)
x 24
x
24 2x
A 24x sin 2x2 sin x2 cos sin
(
D
:
0
x
12,
0
2
)
令
Ax 24sin 4xsin 2xsin cos 0 A 24x cos 2x2 cos x2 (cos2 sin2 ) 0
将P(1,1)代入原方程, 有z1 2,
当z1
2时，A
1 4
0,
所以z f (1,1) 2为极小值；
当z2
6 时， A
1 4
0,
所以z f (1,1) 6为极大值.
z2 6,
求函数z f ( x, y)极值的一般步骤：
第一步 解方程组 fx ( x, y) 0, f y ( x, y) 0
水箱长、宽、高等于多少时所用材料最省？
解: 设 x , y , z 分别表示长、宽、高, 则问题为求x , y ,
z 使在条件 x yz V0 下水箱表面积 S 2(xz yz) x y
最小.
令 F 2(xz yz) x y (x yz V0 )
z
解方程组
2z y yz 0 2z x xz 0 2(x y) xy 0
故当 y y0， x x0时，有 f ( x, y0 ) f ( x0 , y0 ),
说明一元函数 f ( x, y0 )在 x x0处有极大值,
必有 f x ( x0 , y0 ) 0;
类似地可证 f y ( x0 , y0 ) 0.
推广 如果三元函数u f ( x, y, z)在点P( x0 , y0 , z0 ) 具有偏导数，则它在P( x0 , y0 , z0 )有极值的必要条
求出实数解，得驻点.
第二步 对于每一个驻点( x0 , y0 )，
求出二阶偏导数的值 A、B、C.
第三步 定出AC B2 的符号，再判定是否是极值.
二、最值应用问题
依据
函数 f 在闭域上连续
函数 f 在闭域上可达到最值
最值可疑点
驻点 边界上的最值点
特别, 当区域内部最值存在, 且只有一个极值点P 时,
方法2 拉格朗日乘数法. 例如,
在条件(x, y) 0下, 求函数 z f (x, y) 的极值.
如方法 1 所述 , 设 (x, y) 0 可确定隐函数 y (x),
则问题等价于一元函数 z f (x, (x)) 的极值问题, 故
极值点必满足
dz dx
fx
fy
dy dx
0
因d y dx
最省, 应如何设拉格朗日函数? 长、宽、高尺寸如何?
提示: F 2(xz yz) 2 x y (x yz V0 )
长、宽、高尺寸相等 .
例 6 将正数 12 分成三个正数 x, y, z之和 使得 u x3 y2z为最大.
解 令 F ( x, y, z) x3 y2z ( x y z 12),
练习题答案
一、1、(3,2),大,36； 2、大, 1 ； 3、7,-1. 4
2x 2z zx 2 4zx 0 2 y 2z zy 2 4zy 0 由函数取极值的必要条件知, 驻点为P(1,1),
将上方程组再分别对x, y 求偏导数,
A
zxx
|P
2
1
z
,
B zxy |P 0,
C
zyy
|P
2
1
z
,
故
B2
AC
(2
1 z)2
0
(z 2),函数在P 有极值.
一、问题的提出
实例：某商店卖两种牌子的果汁，本地牌子每 瓶进价1元，外地牌子每瓶进价1.2元，店主估
计，如果本地牌子的每瓶卖 x元，外地牌子的 每瓶卖 y 元，则每天可卖出 70 5x 4 y 瓶本 地牌子的果汁，80 6x 7 y瓶外地牌子的果汁
问：店主每天以什么价格卖两种牌子的果汁可 取得最大收益？
小值；
极大值、极小值统称为极值. 使函数取得极值的点称为极值点.
例1 函数 z 3x2 4 y2
在 (0,0) 处有极小值．
(1)
例２ 函数 z x2 y2
(2)
在 (0,0) 处有极大值．
例３ 函数 z xy
在 (0,0) 处无极值．
(3)
2、多元函数取得极值的条件
定理 1（必要条件）
当A 0时有极大值， 当A 0 时有极小值；
（2）AC B2 0时没有极值； （3）AC B2 0时可能有极值,也可能没有极值，
还需另作讨论．
例 4 求由方程x2 y2 z2 2x 2 y
4z 10 0确定的函数z f ( x, y)的极值
解 将方程两边分别对x, y 求偏导
y x
xyz V0 0
得唯一驻点
x
y
2z
3
2V0 ,
4 3 2V0
由题意可知合理的设计是存在的,
因此
,
当高为
3
V0 4
,
长、宽为高的 2 倍时，所用材料最省.
z
思考:
y
1) 当水箱封闭时, 长、宽、高的尺寸如何? x
提示: 利用对称性可知, x y z 3 V0
2) 当开口水箱底部的造价为侧面的二倍时, 欲使造价