多元极值与最值

1 无条件极值

定义

函数 z=f(x,y) 在点 P(x0,y0) 的某邻域内有定义,设邻域内任意点 P(x,y)

用人话翻译
  • 某点附近的函数值都大于等于、或小于等于这个点的函数值
  • 那么它就是极大/极小值

极值的必要条件

极值点处,两个一阶偏导同时为 0

{fx′(x0,y0)=0fy′(x0,y0)=0

极值的充分条件

z=f(x,y) 有连续二阶偏导,且两一阶偏导为 0( fx′(x0,y0)=fy′(x0,y0)=0),记

A=fxx″(x0,y0),B=fxy″(x0,y0),C=fyy″(x0,y0)

则有以下结论:

  1. AC−B2>0,则 (x0,y0) 为 f(x,y) 的极值点,且有
    1. A<0,为极大值点
    2. A>0,为极小值点
  2. AC−B2<0,不是极值点
  3. AC−B2=0,不一定,要用定义判

求极值的一般步骤

  1. 求出 f(x,y) 的驻点 P1,P2,⋯
  2. 利用极值的充分条件判定是否为极值点
在偏导数不存在的点也可能取到极值,对于这种点一般用定义判定
  • 一般这种点函数值为 0,可以令分别 y=x, y=−x,即考察 f(x,x), f(x,−x) 的表达式
    • 如果发现符号可变,比如 x3、x2 & −x2,则不为极值点
  • 大概这种都是无极值的吧,毕竟不可能证明所有逼近方式下都大于/小于这个点,因此找到类似证明重极限不存在的条件就行
方程的形式给出的隐函数,最好原地求偏导
  • 一阶偏导的表达式一般不用求出来,留在方程里,联立含两个偏导的方程,分别令两个偏导为0,解方程可得驻点 (x,y,z)
  • 二阶偏导在方程组上进行,混合偏导可以对 zy′ 那行方程对 x 求偏导

2 条件极值

拉格朗日乘数法

求 z=f(x,y) 在条件 φ(x,y)=0 下的条件极值的一般方法:

  1. 构造拉格朗日函数 F(x,y,λ)=f(x,y)+λφ(x,y)
  2. 将 F(x,y,λ) 分别对 x,y,λ 求偏导,构造如下方程组:{Fx′=fx′(x,y)+λφx′(x,y)=0Fy′=fy′(x,y)+λφy′(x,y)=0Fλ′=φ(x,y)=0
  3. 解出 x,y,λ,其中的 (x,y) 就是在条件约束下可能的极值点
因为是在边界上求,所以拉格朗日函数中 $f(x,y)$ 的部分可以用边界表达式化简
  • 比如待求函数 f(x,y)=x2+y2−6x−7y,区域 D: x2+y2≤2778
  • 则有边界 x2+y2=2778
  • 拉格朗日函数
F(x,y,λ)=x2+y2−6x−7y+λ(x2+y2−2778)=2778−6x−7y+λ(x2+y2−2778)

推广

对于 3 个变量、2 个约束条件,如 u=f(x,y,z) 在条件 φ(x,y,z)=0, ψ(x,y,z)=0 下的极值:

解方程组

可以用线代的线性方程组的思想,讨论 Ax=0 的解:

  1. 对于 2 变量,1 条件:

    A=[fx′φx′fy′φy′]x=[1λ]$$由$|A|=0$,解出$x,y$之间的关系,代入$Fλ′=0$求解A=[fx′φx′ψx′fy′φy′ψy′fz′φz′ψz′]x=[1λμ]

    由 |A|=0,解出 x,y,z 之间的关系,代入 Fλ′=0, Fμ′=0 求解

  2. 对于 3 变量,只有 1 个条件:列 3 个方程,会发现

    fx′φx′=fy′φy′=fz′φz′

    代入 Fλ′=0 那一行求解

使用行列式法要注意:
  • 还应该令拉格朗日乘数 λ=0 ,代入原方程组,看是否漏点

3 最大最小值

有界闭区域上的最值

  1. 求 f(x,y) 在区域 D 内部可能的极值点——求驻点代入函数取值(无需讨论是不是极值点!)
  2. 求 f(x,y) 在区域 D 边界上的最大最小值——用拉格朗日乘数法,条件是区域边界 φ(x,y)=0
  3. 比较大小
求出来的驻点可能不在区域 D 内,要代入表达式检查
化条件为无条件
  • 如果区域表达式比较简单,比如由坐标轴和直线构成的区域,可以尝试将边界表达式直接代入待求函数——可直接得到数值或者另一个函数(此时变成无条件极值,甚至是一元函数那种无条件极值)
  • 注意,化为无条件极值之后也不需要讨论是否是极值点

最值问题不同于极值问题——最值不需要讨论是否为极值点

应用题

  1. 建立目标函数
  2. 求有界闭区域上的最值