Условный экстремум функции нескольких переменных функция лагранжа. Экстремум функции нескольких переменных Понятие экстремума функции нескольких переменных
Для начала рассмотрим случай функции двух переменных. Условным экстремумом функции $z=f(x,y)$ в точке $M_0(x_0;y_0)$ называется экстремум этой функции, достигнутый при условии, что переменные $x$ и $y$ в окрестности данной точки удовлетворяют уравнению связи $\varphi (x,y)=0$.
Название «условный» экстремум связано с тем, что на переменные наложено дополнительное условие $\varphi(x,y)=0$. Если из уравнения связи можно выразить одну переменную через другую, то задача определения условного экстремума сводится к задаче на обычный экстремум функции одной переменной. Например, если из уравнения связи следует $y=\psi(x)$, то подставив $y=\psi(x)$ в $z=f(x,y)$, получим функцию одной переменной $z=f\left(x,\psi(x)\right)$. В общем случае, однако, такой метод малопригоден, поэтому требуется введение нового алгоритма.
Метод множителей Лагранжа для функций двух переменных.
Метод множителей Лагранжа состоит в том, что для отыскания условного экстремума составляют функцию Лагранжа: $F(x,y)=f(x,y)+\lambda\varphi(x,y)$ (параметр $\lambda$ называют множителем Лагранжа). Необходимые условия экстремума задаются системой уравнений, из которой определяются стационарные точки:
$$ \left \{ \begin{aligned} & \frac{\partial F}{\partial x}=0;\\ & \frac{\partial F}{\partial y}=0;\\ & \varphi (x,y)=0. \end{aligned} \right. $$
Достаточным условием, из которого можно выяснить характер экстремума, служит знак $d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2$. Если в стационарной точке $d^2F > 0$, то функция $z=f(x,y)$ имеет в данной точке условный минимум, если же $d^2F < 0$, то условный максимум.
Есть и другой способ для определения характера экстремума. Из уравнения связи получаем: $\varphi_{x}^{"}dx+\varphi_{y}^{"}dy=0$, $dy=-\frac{\varphi_{x}^{"}}{\varphi_{y}^{"}}dx$, поэтому в любой стационарной точке имеем:
$$d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dx\left(-\frac{\varphi_{x}^{"}}{\varphi_{y}^{"}}dx\right)+F_{yy}^{""}\left(-\frac{\varphi_{x}^{"}}{\varphi_{y}^{"}}dx\right)^2=\\ =-\frac{dx^2}{\left(\varphi_{y}^{"} \right)^2}\cdot\left(-(\varphi_{y}^{"})^2 F_{xx}^{""}+2\varphi_{x}^{"}\varphi_{y}^{"}F_{xy}^{""}-(\varphi_{x}^{"})^2 F_{yy}^{""} \right)$$
Второй сомножитель (расположенный в скобке) можно представить в такой форме:
Красным цветом выделены элементы определителя $\left| \begin{array} {cc} F_{xx}^{""} & F_{xy}^{""} \\ F_{xy}^{""} & F_{yy}^{""} \end{array} \right|$, который является гессианом функции Лагранжа. Если $H > 0$, то $d^2F < 0$, что указывает на условный максимум. Аналогично, при $H < 0$ имеем $d^2F > 0$, т.е. имеем условный минимум функции $z=f(x,y)$.
Примечание относительно формы записи определителя $H$. показать\скрыть
$$ H=-\left|\begin{array} {ccc} 0 & \varphi_{x}^{"} & \varphi_{y}^{"}\\ \varphi_{x}^{"} & F_{xx}^{""} & F_{xy}^{""} \\ \varphi_{y}^{"} & F_{xy}^{""} & F_{yy}^{""} \end{array} \right| $$
В этой ситуации сформулированное выше правило изменится следующим образом: если $H > 0$, то функция имеет условный минимум, а при $H < 0$ получим условный максимум функции $z=f(x,y)$. При решении задач следует учитывать такие нюансы.
Алгоритм исследования функции двух переменных на условный экстремум
- Составить функцию Лагранжа $F(x,y)=f(x,y)+\lambda\varphi(x,y)$
- Решить систему $ \left \{ \begin{aligned} & \frac{\partial F}{\partial x}=0;\\ & \frac{\partial F}{\partial y}=0;\\ & \varphi (x,y)=0. \end{aligned} \right.$
- Определить характер экстремума в каждой из найденных в предыдущем пункте стационарных точек. Для этого применить любой из указанных способов:
- Составить определитель $H$ и выяснить его знак
- С учетом уравнения связи вычислить знак $d^2F$
Метод множителей Лагранжа для функций n переменных
Допустим, мы имеем функцию $n$ переменных $z=f(x_1,x_2,\ldots,x_n)$ и $m$ уравнений связи ($n > m$):
$$\varphi_1(x_1,x_2,\ldots,x_n)=0; \; \varphi_2(x_1,x_2,\ldots,x_n)=0,\ldots,\varphi_m(x_1,x_2,\ldots,x_n)=0.$$
Обозначив множители Лагранжа как $\lambda_1,\lambda_2,\ldots,\lambda_m$, составим функцию Лагранжа:
$$F(x_1,x_2,\ldots,x_n,\lambda_1,\lambda_2,\ldots,\lambda_m)=f+\lambda_1\varphi_1+\lambda_2\varphi_2+\ldots+\lambda_m\varphi_m$$
Необходимые условия наличия условного экстремума задаются системой уравнений, из которой находятся координаты стационарных точек и значения множителей Лагранжа:
$$\left\{\begin{aligned} & \frac{\partial F}{\partial x_i}=0; (i=\overline{1,n})\\ & \varphi_j=0; (j=\overline{1,m}) \end{aligned} \right.$$
Выяснить, условный минимум или условный максимум имеет функция в найденной точке, можно, как и ранее, посредством знака $d^2F$. Если в найденной точке $d^2F > 0$, то функция имеет условный минимум, если же $d^2F < 0$, - то условный максимум. Можно пойти иным путем, рассмотрев следующую матрицу:
Определитель матрицы $\left| \begin{array} {ccccc} \frac{\partial^2F}{\partial x_{1}^{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{1}\partial x_{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{1}\partial x_{3}} &\ldots & \frac{\partial^2F}{\partial x_{1}\partial x_{n}}\\ \frac{\partial^2F}{\partial x_{2}\partial x_1} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{2}^{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{2}\partial x_{3}} &\ldots & \frac{\partial^2F}{\partial x_{2}\partial x_{n}}\\ \frac{\partial^2F}{\partial x_{3} \partial x_{1}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{3}\partial x_{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{3}^{2}} &\ldots & \frac{\partial^2F}{\partial x_{3}\partial x_{n}}\\ \ldots & \ldots & \ldots &\ldots & \ldots\\ \frac{\partial^2F}{\partial x_{n}\partial x_{1}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{n}\partial x_{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{n}\partial x_{3}} &\ldots & \frac{\partial^2F}{\partial x_{n}^{2}}\\ \end{array} \right|$, выделенной в матрице $L$ красным цветом, есть гессиан функции Лагранжа. Используем следующее правило:
- Если знаки угловых миноров $H_{2m+1},\; H_{2m+2},\ldots,H_{m+n}$ матрицы $L$ совпадают с знаком $(-1)^m$, то исследуемая стационарная точка является точкой условного минимума функции $z=f(x_1,x_2,x_3,\ldots,x_n)$.
- Если знаки угловых миноров $H_{2m+1},\; H_{2m+2},\ldots,H_{m+n}$ чередуются, причём знак минора $H_{2m+1}$ совпадает с знаком числа $(-1)^{m+1}$, то исследуемая стационарная точка является точкой условного максимума функции $z=f(x_1,x_2,x_3,\ldots,x_n)$.
Пример №1
Найти условный экстремум функции $z(x,y)=x+3y$ при условии $x^2+y^2=10$.
Геометрическая интерпретация данной задачи такова: требуется найти наибольшее и наименьшее значение аппликаты плоскости $z=x+3y$ для точек ее пересечения с цилиндром $x^2+y^2=10$.
Выразить одну переменную через другую из уравнения связи и подставить ее в функцию $z(x,y)=x+3y$ несколько затруднительно, поэтому будем использовать метод Лагранжа.
Обозначив $\varphi(x,y)=x^2+y^2-10$, составим функцию Лагранжа:
$$ F(x,y)=z(x,y)+\lambda \varphi(x,y)=x+3y+\lambda(x^2+y^2-10);\\ \frac{\partial F}{\partial x}=1+2\lambda x; \frac{\partial F}{\partial y}=3+2\lambda y. $$
Запишем систему уравнений для определения стационарных точек функции Лагранжа:
$$ \left \{ \begin{aligned} & 1+2\lambda x=0;\\ & 3+2\lambda y=0;\\ & x^2+y^2-10=0. \end{aligned} \right. $$
Если предположить $\lambda=0$, то первое уравнение станет таким: $1=0$. Полученное противоречие говорит о том, что $\lambda\neq 0$. При условии $\lambda\neq 0$ из первого и второго уравнений имеем: $x=-\frac{1}{2\lambda}$, $y=-\frac{3}{2\lambda}$. Подставляя полученные значения в третье уравнение, получим:
$$ \left(-\frac{1}{2\lambda} \right)^2+\left(-\frac{3}{2\lambda} \right)^2-10=0;\\ \frac{1}{4\lambda^2}+\frac{9}{4\lambda^2}=10; \lambda^2=\frac{1}{4}; \left[ \begin{aligned} & \lambda_1=-\frac{1}{2};\\ & \lambda_2=\frac{1}{2}. \end{aligned} \right.\\ \begin{aligned} & \lambda_1=-\frac{1}{2}; \; x_1=-\frac{1}{2\lambda_1}=1; \; y_1=-\frac{3}{2\lambda_1}=3;\\ & \lambda_2=\frac{1}{2}; \; x_2=-\frac{1}{2\lambda_2}=-1; \; y_2=-\frac{3}{2\lambda_2}=-3.\end{aligned} $$
Итак, система имеет два решения: $x_1=1;\; y_1=3;\; \lambda_1=-\frac{1}{2}$ и $x_2=-1;\; y_2=-3;\; \lambda_2=\frac{1}{2}$. Выясним характер экстремума в каждой стационарной точке: $M_1(1;3)$ и $M_2(-1;-3)$. Для этого вычислим определитель $H$ в каждой из точек.
$$ \varphi_{x}^{"}=2x;\; \varphi_{y}^{"}=2y;\; F_{xx}^{""}=2\lambda;\; F_{xy}^{""}=0;\; F_{yy}^{""}=2\lambda.\\ H=\left| \begin{array} {ccc} 0 & \varphi_{x}^{"} & \varphi_{y}^{"}\\ \varphi_{x}^{"} & F_{xx}^{""} & F_{xy}^{""} \\ \varphi_{y}^{"} & F_{xy}^{""} & F_{yy}^{""} \end{array} \right|= \left| \begin{array} {ccc} 0 & 2x & 2y\\ 2x & 2\lambda & 0 \\ 2y & 0 & 2\lambda \end{array} \right|= 8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & x & y\\ x & \lambda & 0 \\ y & 0 & \lambda \end{array} \right| $$
В точке $M_1(1;3)$ получим: $H=8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & x & y\\ x & \lambda & 0 \\ y & 0 & \lambda \end{array} \right|= 8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & 1 & 3\\ 1 & -1/2 & 0 \\ 3 & 0 & -1/2 \end{array} \right|=40 > 0$, поэтому в точке $M_1(1;3)$ функция $z(x,y)=x+3y$ имеет условный максимум, $z_{\max}=z(1;3)=10$.
Аналогично, в точке $M_2(-1;-3)$ найдем: $H=8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & x & y\\ x & \lambda & 0 \\ y & 0 & \lambda \end{array} \right|= 8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & -1 & -3\\ -1 & 1/2 & 0 \\ -3 & 0 & 1/2 \end{array} \right|=-40$. Так как $H < 0$, то в точке $M_2(-1;-3)$ имеем условный минимум функции $z(x,y)=x+3y$, а именно: $z_{\min}=z(-1;-3)=-10$.
Отмечу, что вместо вычисления значения определителя $H$ в каждой точке, гораздо удобнее раскрыть его в общем виде. Дабы не загромождать текст подробностями, этот способ скрою под примечание.
Запись определителя $H$ в общем виде. показать\скрыть
$$ H=8\cdot\left|\begin{array}{ccc}0&x&y\\x&\lambda&0\\y&0&\lambda\end{array}\right| =8\cdot\left(-\lambda{y^2}-\lambda{x^2}\right) =-8\lambda\cdot\left(y^2+x^2\right). $$
В принципе, уже очевидно, какой знак имеет $H$. Так как ни одна из точек $M_1$ или $M_2$ не совпадает с началом координат, то $y^2+x^2>0$. Следовательно, знак $H$ противоположен знаку $\lambda$. Можно и довести вычисления до конца:
$$ \begin{aligned} &H(M_1)=-8\cdot\left(-\frac{1}{2}\right)\cdot\left(3^2+1^2\right)=40;\\ &H(M_2)=-8\cdot\frac{1}{2}\cdot\left((-3)^2+(-1)^2\right)=-40. \end{aligned} $$
Вопрос о характере экстремума в стационарных точках $M_1(1;3)$ и $M_2(-1;-3)$ можно решить и без использования определителя $H$. Найдем знак $d^2F$ в каждой стационарной точке:
$$ d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=2\lambda \left(dx^2+dy^2\right) $$
Отмечу, что запись $dx^2$ означает именно $dx$, возведённый в вторую степень, т.е. $\left(dx \right)^2$. Отсюда имеем: $dx^2+dy^2>0$, посему при $\lambda_1=-\frac{1}{2}$ получим $d^2F < 0$. Следовательно, функция имеет в точке $M_1(1;3)$ условный максимум. Аналогично, в точке $M_2(-1;-3)$ получим условный минимум функции $z(x,y)=x+3y$. Отметим, что для определения знака $d^2F$ не пришлось учитывать связь между $dx$ и $dy$, ибо знак $d^2F$ очевиден без дополнительных преобразований. В следующем примере для определения знака $d^2F$ уже будет необходимо учесть связь между $dx$ и $dy$.
Ответ : в точке $(-1;-3)$ функция имеет условный минимум, $z_{\min}=-10$. В точке $(1;3)$ функция имеет условный максимум, $z_{\max}=10$
Пример №2
Найти условный экстремум функции $z(x,y)=3y^3+4x^2-xy$ при условии $x+y=0$.
Первый способ (метод множителей Лагранжа)
Обозначив $\varphi(x,y)=x+y$ составим функцию Лагранжа: $F(x,y)=z(x,y)+\lambda \varphi(x,y)=3y^3+4x^2-xy+\lambda(x+y)$.
$$ \frac{\partial F}{\partial x}=8x-y+\lambda; \; \frac{\partial F}{\partial y}=9y^2-x+\lambda.\\ \left \{ \begin{aligned} & 8x-y+\lambda=0;\\ & 9y^2-x+\lambda=0; \\ & x+y=0. \end{aligned} \right. $$
Решив систему, получим: $x_1=0$, $y_1=0$, $\lambda_1=0$ и $x_2=\frac{10}{9}$, $y_2=-\frac{10}{9}$, $\lambda_2=-10$. Имеем две стационарные точки: $M_1(0;0)$ и $M_2 \left(\frac{10}{9};-\frac{10}{9} \right)$. Выясним характер экстремума в каждой стационарной точке с использованием определителя $H$.
$$ H=\left| \begin{array} {ccc} 0 & \varphi_{x}^{"} & \varphi_{y}^{"}\\ \varphi_{x}^{"} & F_{xx}^{""} & F_{xy}^{""} \\ \varphi_{y}^{"} & F_{xy}^{""} & F_{yy}^{""} \end{array} \right|= \left| \begin{array} {ccc} 0 & 1 & 1\\ 1 & 8 & -1 \\ 1 & -1 & 18y \end{array} \right|=-10-18y $$
В точке $M_1(0;0)$ $H=-10-18\cdot 0=-10 < 0$, поэтому $M_1(0;0)$ есть точка условного минимума функции $z(x,y)=3y^3+4x^2-xy$, $z_{\min}=0$. В точке $M_2\left(\frac{10}{9};-\frac{10}{9}\right)$ $H=10 > 0$, посему в данной точке функция имеет условный максимум, $z_{\max}=\frac{500}{243}$.
Исследуем характер экстремума в каждой из точек иным методом, основываясь на знаке $d^2F$:
$$ d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=8dx^2-2dxdy+18ydy^2 $$
Из уравнения связи $x+y=0$ имеем: $d(x+y)=0$, $dx+dy=0$, $dy=-dx$.
$$ d^2 F=8dx^2-2dxdy+18ydy^2=8dx^2-2dx(-dx)+18y(-dx)^2=(10+18y)dx^2 $$
Так как $ d^2F \Bigr|_{M_1}=10 dx^2 > 0$, то $M_1(0;0)$ является точкой условного минимума функции $z(x,y)=3y^3+4x^2-xy$. Аналогично, $d^2F \Bigr|_{M_2}=-10 dx^2 < 0$, т.е. $M_2\left(\frac{10}{9}; -\frac{10}{9} \right)$ - точка условного максимума.
Второй способ
Из уравнения связи $x+y=0$ получим: $y=-x$. Подставив $y=-x$ в функцию $z(x,y)=3y^3+4x^2-xy$, получим некоторую функцию переменной $x$. Обозначим эту функцию как $u(x)$:
$$ u(x)=z(x,-x)=3\cdot(-x)^3+4x^2-x\cdot(-x)=-3x^3+5x^2. $$
Таким образом задачу о нахождении условного экстремума функции двух переменных мы свели к задаче определения экстремума функции одной переменной.
$$ u_{x}^{"}=-9x^2+10x;\\ -9x^2+10x=0; \; x\cdot(-9x+10)=0;\\ x_1=0; \; y_1=-x_1=0;\\ x_2=\frac{10}{9}; \; y_2=-x_2=-\frac{10}{9}. $$
Получили точки $M_1(0;0)$ и $M_2\left(\frac{10}{9}; -\frac{10}{9}\right)$. Дальнейшее исследование известно из курса дифференциального исчисления функций одной переменой. Исследуя знак $u_{xx}^{""}$ в каждой стационарной точке или проверяя смену знака $u_{x}^{"}$ в найденных точках, получим те же выводы, что и при решении первым способом. Например, проверим знак $u_{xx}^{""}$:
$$u_{xx}^{""}=-18x+10;\\ u_{xx}^{""}(M_1)=10;\;u_{xx}^{""}(M_2)=-10.$$
Так как $u_{xx}^{""}(M_1)>0$, то $M_1$ - точка минимума функции $u(x)$, при этом $u_{\min}=u(0)=0$. Так как $u_{xx}^{""}(M_2)<0$, то $M_2$ - точка максимума функции $u(x)$, причём $u_{\max}=u\left(\frac{10}{9}\right)=\frac{500}{243}$.
Значения функции $u(x)$ при заданном условии связи совпадают с значениями функции $z(x,y)$, т.е. найденные экстремумы функции $u(x)$ и есть искомые условные экстремумы функции $z(x,y)$.
Ответ : в точке $(0;0)$ функция имеет условный минимум, $z_{\min}=0$. В точке $\left(\frac{10}{9}; -\frac{10}{9} \right)$ функция имеет условный максимум, $z_{\max}=\frac{500}{243}$.
Рассмотрим еще один пример, в котором характер экстремума выясним посредством определения знака $d^2F$.
Пример №3
Найти наибольшее и наименьшее значения функции $z=5xy-4$, если переменные $x$ и $y$ положительны и удовлетворяют уравнению связи $\frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1=0$.
Составим функцию Лагранжа: $F=5xy-4+\lambda \left(\frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1 \right)$. Найдем стационарные точки функции Лагранжа:
$$ F_{x}^{"}=5y+\frac{\lambda x}{4}; \; F_{y}^{"}=5x+\lambda y.\\ \left \{ \begin{aligned} & 5y+\frac{\lambda x}{4}=0;\\ & 5x+\lambda y=0;\\ & \frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1=0;\\ & x > 0; \; y > 0. \end{aligned} \right. $$
Все дальнейшие преобразования осуществляются с учетом $x > 0; \; y > 0$ (это оговорено в условии задачи). Из второго уравнения выразим $\lambda=-\frac{5x}{y}$ и подставим найденное значение в первое уравнение: $5y-\frac{5x}{y}\cdot \frac{x}{4}=0$, $4y^2-x^2=0$, $x=2y$. Подставляя $x=2y$ в третье уравнение, получим: $\frac{4y^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1=0$, $y^2=1$, $y=1$.
Так как $y=1$, то $x=2$, $\lambda=-10$. Характер экстремума в точке $(2;1)$ определим, исходя из знака $d^2F$.
$$ F_{xx}^{""}=\frac{\lambda}{4}; \; F_{xy}^{""}=5; \; F_{yy}^{""}=\lambda. $$
Так как $\frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1=0$, то:
$$ d\left(\frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1\right)=0; \; d\left(\frac{x^2}{8} \right)+d\left(\frac{y^2}{2} \right)=0; \; \frac{x}{4}dx+ydy=0; \; dy=-\frac{xdx}{4y}. $$
В принципе, здесь можно сразу подставить координаты стационарной точки $x=2$, $y=1$ и параметра $\lambda=-10$, получив при этом:
$$ F_{xx}^{""}=\frac{-5}{2}; \; F_{xy}^{""}=-10; \; dy=-\frac{dx}{2}.\\ d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=-\frac{5}{2}dx^2+10dx\cdot \left(-\frac{dx}{2} \right)-10\cdot \left(-\frac{dx}{2} \right)^2=\\ =-\frac{5}{2}dx^2-5dx^2-\frac{5}{2}dx^2=-10dx^2. $$
Однако в других задачах на условный экстремум стационарных точек может быть несколько. В таких случаях лучше $d^2F$ представить в общем виде, а потом подставлять в полученное выражение координаты каждой из найденных стационарных точек:
$$ d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=\frac{\lambda}{4}dx^2+10\cdot dx\cdot \frac{-xdx}{4y} +\lambda\cdot \left(-\frac{xdx}{4y} \right)^2=\\ =\frac{\lambda}{4}dx^2-\frac{5x}{2y}dx^2+\lambda \cdot \frac{x^2dx^2}{16y^2}=\left(\frac{\lambda}{4}-\frac{5x}{2y}+\frac{\lambda \cdot x^2}{16y^2} \right)\cdot dx^2 $$
Подставляя $x=2$, $y=1$, $\lambda=-10$, получим:
$$ d^2 F=\left(\frac{-10}{4}-\frac{10}{2}-\frac{10 \cdot 4}{16} \right)\cdot dx^2=-10dx^2. $$
Так как $d^2F=-10\cdot dx^2 < 0$, то точка $(2;1)$ есть точкой условного максимума функции $z=5xy-4$, причём $z_{\max}=10-4=6$.
Ответ : в точке $(2;1)$ функция имеет условный максимум, $z_{\max}=6$.
В следующей части рассмотрим применение метода Лагранжа для функций большего количества переменных.
УСЛОВНЫЙ ЭКСТРЕМУМ
Минимальное или максимальное значение, достигаемое данной функцией (или функционалом) при условии, что нек-рые другие функции (функционалы) принимают значения из заданного допустимого множества. Если условия, ограничивающие в указанном смысле изменения независимых переменных (функций), отсутствуют, то говорят о безусловном экстремуме.
Классич. задачей на У. э. является задача определения минимума функции многих переменных
При условии, что нек-рые другие функции принимают заданные значения:
В этой задаче G, к-рому должны принадлежать значения вектор-функции g=
(g 1 , ...,g m
),
входящей в дополнительные условия (2), есть фиксированная точка c=
(c 1 , ..., с т
)в m-мерном евклидовом пространстве
Если в (2) наряду со знаком равенства допускаются знаки неравенства
То это приводит к задаче нелинейного программирования
(1), (3).
В задаче (1), (3) множество Gдопустимых значений вектор-функции gпредставляет собой нек-рый криволинейный , принадлежащий (n-m 1)-мерной гиперповерхности, задаваемой т 1 , m
1
Частным случаем задачи (1), (3) на У. в. является задача линейного программирования,
в к-рой все рассматриваемые функции f и g i
являются линейными по x l , ... , х п.
В задаче линейного программирования множество Gдопустимых значений вектор-функции g,
входящей в условия, ограничивающие область изменения переменных x 1 , .....x n ,
представляет собой , принадлежащий (п-т 1)-мерной гиперплоскости, задаваемой m 1 условиями типа равенства в (3).
Аналогичным образом большинство задач оптимизации функционалов, представляющих нрактич. интерес, сводится к задачам на У. э. (см. Изопериметрическая задача, Кольца задача, Лагранжа задача, Манера задача
).
Так же, как и в математич. программировании, основными задачами вариационного исчисления и теории оптимального управления являются задачи на У. э.
При решении задач на У. э., особенно при рассмотрении теоретич. вопросов, связанных с задачами на У. э., весьма полезным оказывается использование неопределенных Лагранжа множителей,
позволяющих свести задачу на У. э. к задаче на безусловный и упростить необходимых условий оптимальности. Использование множителей Лагранжа лежит в основе большинства классич. методов решения задач на У. э.
Лит.
: Xедли Дж., Нелинейное и , пер. с англ., М., 1967; Блисс Г. А., Лекции по вариационному исчислению, пер. с англ., М., 1950; Понтрягин Л. С. [и др.], Математическая оптимальных процессов, 2 изд., М., 1969.
И. Б. Вапнярский.
Математическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . И. М. Виноградов . 1977-1985 .
Смотреть что такое "УСЛОВНЫЙ ЭКСТРЕМУМ" в других словарях:
Относительный экстремум, экстремум функции f (x1,..., xn + m) от п + т переменных в предположении, что эти переменные подчинены ещё т уравнениям связи (условиям): φk (x1,..., xn + m) = 0, 1≤ k ≤ m (*) (см. Экстремум).… …
Пусть открытое множество и на заданы функции. Пусть. Эти уравнения называют уравнениями связей (терминология заимствованна из механики). Пусть на G определена функция … Википедия
- (от лат. extremum крайнее) значение непрерывной функции f (x), являющееся или максимумом, или минимумом. Точнее: непрерывная в точке х0 функция f (x) имеет в x0 максимум (минимум), если существует окрестность (x0 + δ, x0 δ) этой точки,… … Большая советская энциклопедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Экстремум (значения). Экстремум (лат. extremum крайний) в математике максимальное или минимальное значение функции на заданном множестве. Точка, в которой достигается экстремум,… … Википедия
Функция, используемая при решении задач на условный экстремум функций многих переменных и функционалов. С помощью Л. ф. записываются необходимые условия оптимальности в задачах на условный экстремум. При этом не требуется выражать одни переменные … Математическая энциклопедия
Математическая дисциплина, посвященная отысканию экстремальных (наибольших и наименьших) значений функционалов переменных величин, зависящих от выбора одной или нескольких функций. В. и. является естественным развитием той главы… … Большая советская энциклопедия
Переменные, с помощью к рых строится Лагранжа функция при исследовании задач на условный экстремум. Использование Л. м. и функции Лагранжа позволяет единообразным способом получать необходимые условия оптимальности в задачах на условный экстремум … Математическая энциклопедия
Вариационное исчисление это раздел функционального анализа, в котором изучаются вариации функционалов. Самая типичная задача вариационного исчисления состоит в том, чтобы найти функцию, на которой заданный функционал достигает… … Википедия
Раздел мате.матики, посвященный исследованию методов отыскания экстремумов функционалов, зависящих от выбора одной или нескольких функций при разного рода ограничениях (фазовых, дифференциальных, интегральных И т. п.), накладываемых на эти… … Математическая энциклопедия
Вариационное исчисление это раздел математики, в котором изучаются вариации функционалов. Самая типичная задача вариационного исчисления состоит в том, чтобы найти функцию, на которой функционал достигает экстремального значения. Методы… … Википедия
Книги
- Лекции по теории управления. Том 2. Оптимальное управление , В. Босс. Рассматривается классическая проблематика теории оптимального управления. Изложение начинается с базовых понятий оптимизации в конечномерных пространствах: условный и безусловный экстремум,…
Условный экстремум.
Экстремумы функции нескольких переменных
Метод наименьших квадратов.
Локальный экстремум ФНП
Пусть дана функция и = f (Р), РÎDÌR n и пусть точка Р 0 (а 1 , а 2 , ..., а п ) –внутренняя точка множества D.
Определение 9.4.
1) Точка Р 0 называется точкой максимума функции и = f (Р), если существует окрестность этой точки U(P 0) Ì D такая, что для любой точки Р(х 1 , х 2 , ..., х п )Î U(P 0) , Р¹Р 0 , выполняется условие f (P) £ f (P 0) . Значение f (P 0) функции в точке максимума называется максимумом функции и обозначается f (P 0) = max f (P) .
2) Точка Р 0 называется точкой минимума функции и = f (Р), если существует окрестность этой точки U(P 0)Ì D такая, что для любой точки Р(х 1 , х 2 , ..., х п )ÎU(P 0), Р¹Р 0 , выполняется условие f (P) ³ f (P 0) . Значение f (P 0) функции в точке минимума называется минимумом функции и обозначается f (P 0) = min f (P).
Точки минимума и максимума функции называются точками экстремумов , значения функции в точках экстремумов называются экстремумами функции.
Как следует из определения, неравенства f (P) £ f (P 0) , f (P) ³ f (P 0) должны выполняться только в некоторой окрестности точки Р 0 , а не во всей области определения функции, значит, функция может иметь несколько однотипных экстремумов (несколько минимумов, несколько максимумов). Поэтому определенные выше экстремумы называют локальными (местными) экстремумами.
Теорема 9.1.(необходимое условие экстремума ФНП)
Если функция и = f (х 1 , х 2 , ..., х п ) имеет экстремум в точке Р 0 , то ее частные производные первого порядка в этой точке либо равны нулю, либо не существуют.
Доказательство. Пусть в точке Р 0 (а 1 , а 2 , ..., а п ) функция и = f (P) имеет экстремум, например, максимум. Зафиксируем аргументы х 2 , ..., х п , положив х 2 =а 2 ,..., х п = а п . Тогда и = f (P) = f 1 ((х 1 , а 2 , ..., а п ) есть функция одной переменной х 1 . Так как эта функция имеет при х 1 = а 1 экстремум (максимум), то f 1 ¢=0или не существует при х 1 =а 1 (необходимое условие существования экстремума функции одной переменной). Но , значит или не существует в точке Р 0 – точке экстремума. Аналогично можно рассмотреть частные производные по остальным переменным. ЧТД.
Точки области определения функции, в которых частные производные первого порядка равны нулю или не существуют, называются критическими точками этой функции.
Как следует из теоремы 9.1, точки экстремума ФНП следует искать среди критических точек функции. Но, как и для функции одной переменной, не всякая критическая точка является точкой экстремума.
Теорема 9.2.(достаточное условие экстремума ФНП)
Пусть Р 0 – критическая точка функции и
= f
(P) и 
– дифференциал второго порядка этой функции. Тогда
а) если d 2 u (P 0) > 0 при , то Р 0 – точка минимума функции и = f (P);
б) если d 2 u (P 0) < 0 при , то Р 0 – точка максимума функции и = f (P);
в) если d 2 u (P 0) не определен по знаку, то Р 0 не является точкой экстремума;
Эту теорему рассмотрим без доказательства.
Заметим, что в теореме не рассмотрен случай, когда d 2 u (P 0) = 0 или не существует. Это означает, что вопрос о наличие экстремума в точке Р 0 при таких условиях остается открытым – нужны дополнительные исследования, например, исследование приращения функции в этой точке.
В более подробных курсах математики доказывается, что в частности для функции z = f (x , y ) двух переменных, дифференциал второго порядка которой есть сумма вида
исследование наличия экстремума в критической точке Р 0 можно упростить.
Обозначим , , . Составим определитель
.
Оказывается:
d 2 z > 0 в точке Р 0 , т.е. Р 0 – точка минимума, если A (P 0) > 0 и D(Р 0) > 0;
d 2 z < 0 в точке Р 0 , т.е. Р 0 – точка максимума, если A (P 0) < 0 , а D(Р 0) > 0;
если D(Р 0) < 0, то d 2 z в окрестности точки Р 0 меняет знак и экстремума в точке Р 0 нет;
если же D(Р 0) = 0, то также требуются дополнительные исследования функции в окрестности критической точки Р 0 .
Таким образом, для функции z = f (x , y ) двух переменных имеем следующий алгоритм (назовем его «алгоритмом D») отыскания экстремума:
1) Найти область определения D(f ) функции.
2) Найти критические точки, т.е. точки из D(f ), для которых и равны нулю или не существуют.
3) В каждой критической точке Р 0 проверить достаточные условия экстремума. Для этого найти , где , , и вычислить D(Р 0) и А
(Р 0).Тогда:
если D(Р 0) >0 , то в точке Р 0 есть экстремум, причем, если А (Р 0) > 0 – то это минимум, а если А (Р 0) < 0 – максимум;
если D(Р 0) < 0, то в точке Р 0 нет экстремума;
Если D(Р 0) = 0, то нужны дополнительные исследования.
4) В найденных точках экстремума вычислить значение функции.
Пример1.
Найти экстремум функции z = x 3 + 8y 3 – 3xy .
Решение. Область определения этой функции – вся координатная плоскость. Найдем критические точки.
, 
, 
Þ Р 0 (0,0) , .
Проверим выполнение достаточных условий экстремума. Найдем
6х
, = -3, = 48у
и 
= 288ху
– 9.
Тогда D(Р 0) = 288×0×0 – 9 = -9< 0 , значит, в точке Р 0 экстремума нет.
D(Р 1) = 36-9>0 – в точке Р 1 есть экстремум, а так как А
(Р 1) = 3 >0, то этот экстремум – минимум. Значит, min z
= z
(P 1) = 
.
Пример 2.
Найти экстремум функции 
.
Решение: D(f
) =R 2 . Критические точки: 
; не существует при у
= 0, значит Р 0 (0,0) – критическая точка данной функции.
2, = 0, = , = , но D(Р 0) не определено, поэтому исследование его знака невозможно.
По этой же причине невозможно применить теорему 9.2 непосредственно – d 2 z в этой точке не существует.
Рассмотрим приращение функции f (x , y ) в точке Р 0 . Если Df =f (P) – f (P 0)>0 " Р, то Р 0 точка минимума, если же Df < 0, то Р 0 – точка максимума.
Имеем в нашем случае
Df = f (x , y ) – f (0, 0) = f (0+Dx ,0+Dy ) – f (0, 0) = .
При Dx = 0,1 и Dy = -0,008 получим Df = 0,01 – 0,2 < 0, а при Dx = 0,1 и Dy = 0,001 Df = 0,01 + 0,1 > 0, т.е. в окрестности точки Р 0 не выполняются ни условие Df <0 (т.е. f (x , y ) < f (0, 0) и значит, Р 0 – не точка максимума), ни условие Df >0 (т.е. f (x , y ) > f (0, 0) и тогда Р 0 – не точка минимума). Значит, по определению экстремума, данная функция экстремумов не имеет.
Условный экстремум.
Рассмотренный экстремум функции называют безусловным , так как на аргументы функции не налагаются никакие ограничения (условия).
Определение 9.2. Экстремум функции и = f (х 1 , х 2 , ... , х п ), найденный при условии, что ее аргументы х 1 , х 2 , ... , х п удовлетворяют уравнениям j 1 (х 1 , х 2 , ... , х п ) = 0, …, j т (х 1 , х 2 , ... , х п ) = 0, где P (х 1 , х 2 , ... , х п ) Î D(f ), называется условным экстремумом .
Уравнения j k (х 1 , х 2 , ... , х п ) = 0 , k = 1, 2,..., m , называются уравнениями связи .
Рассмотрим функции z = f (x , y ) двух переменных. Если уравнение связи одно, т.е. , то отыскание условного экстремума означает, что экстремум ищется не во всей области определения функции, а на некоторой кривой , лежащей в D(f ) (т.е. ищутся не самые высокие или самые низкие точки поверхности z = f (x , y ), а наиболее высокие или низкие точки среди точек пересечения этой поверхности с цилиндром , рис 5).
Условный экстремум функции z = f
(x
, y
) двух переменных можно найти следующим способом(метод исключения
). Из уравнения выразить одну из переменных как функцию другой (например, записать ) и, подставив это значение переменной в функцию , записать последнюю как функцию одной переменной (в рассмотренном случае 
). Найти экстремум полученной функции одной переменной.
Пример
Найти экстремум
функции
при условии, чтох
и у
связаны
соотношением:
.
Геометрически задача означает
следующее: на эллипсе
плоскостью
.
Эту задачу можно
решать так: из уравнения
находим
х
:
при условии, что
,
свелась к задаче нахождения экстремума
функции одной переменной,
на отрезке
.
Геометрически
задача означает следующее: на эллипсе
,
полученном при пересечении цилиндра
плоскостью
,
требуется найти максимальное или
минимальное значение аппликаты
(рис.9). Эту задачу можно решать так: из
уравнения
находим
.
Подставляя найденное значение у в
уравнение плоскости, получаем функцию
одной переменнойх
:
Тем самым задача
о нахождении экстремума функции
при условии, что
,
свелась к задаче нахождения экстремума
функции одной переменной,
на отрезке.
Итак, задача
отыскания условного экстремума
– это задача о нахождении экстремума
целевой функции
,
при условии, что переменныех
и у
подчиняются ограничению
,
называемомууравнением
связи.
Будем говорить,
что точка
,
удовлетворяющая уравнению связи,является
точкой локального условного максимума
(минимума
),
если существует окрестность
такая,
что для любых точек
,
координаты которых удовлетворяют
уравнению связи, выполнено неравенство.
Если из уравнения связи можно найти выражение для у , то, подставляя это выражение в исходную функцию, превращаем последнюю в сложную функцию одной переменной х.
Общим
методом решения задачи на условный
экстремум является метод
множителей Лагранжа
.
Составим вспомогательную функцию,
где
─ некоторое число. Это функция называетсяфункцией
Лагранжа
, а
─ множителем Лагранжа. Таким образом,
задача нахождения условного экстремума
свелась к нахождению точек локального
экстремума для функции Лагранжа. Для
нахождения точек возможного экстремума
надо решить систему из 3-х уравнений с
тремя неизвестнымих,
у
и.
Затем следует воспользоваться следующим достаточным условием экстремума.
ТЕОРЕМА
.
Пусть точка
является точкой возможного экстремума
для функции Лагранжа. Предположим, что
в окрестности точки
существуют непрерывные частные
производные второго порядка функций
и
.
Обозначим
Тогда, если
,
то
─ точка условного экстремума функции
при уравнении связи
при этом, если
,
то
─ точка условного минимума, если
,
то
─ точка условного максимума.
§8. Градиент и производная по направлению
Пусть функция
определена в некоторой (открытой)
области. Рассмотрим любую точку
этой области и любую направленную прямую
(ось)
,
проходящую через эту точку (рис. 1). Пусть
– какая-нибудь другая точка этой оси,
– длина отрезка между
и
,
взятая со знаком «плюс», если направление
совпадает с направлением оси
,
и со знаком «минус», если их направления
противоположны.
Пусть
неограниченно приближается к
.
Предел
называется
производной
от функции
по направлению
(или вдоль оси
)
и обозначается следующим образом:
.
Эта производная
характеризует «скорость изменения»
функции в точке
по направлению
.
В частности, и обычные частные производные
,
также можно рассматривать как производные
«по направлению».
Предположим теперь,
что функция
имеет в рассматриваемой области
непрерывные частные производные. Пусть
ось
образует с осями координат углы
и
.
При сделанных предположениях производная
по направлению
существует и выражается формулой
.
Если вектор
задан своими координатами
,
то производную функции
по направлению вектора
можно вычислить по формуле:
.
Вектор с координатами
называетсявектором-градиентом
функции
в точке
.
Вектор-градиент указывает направление
наиболее быстрого возрастания функции
в данной точке.
Пример
Дана функция
,
точка A(1,
1) и вектор
.
Найти: 1)grad
z
в точке A;
2) производную в точке A
по направлению вектора
.
Частные производные
данной функции в точке
:
;
.
Тогда вектор-градиент
функции в этой точке:
.
Вектор-градиент еще можно записать с
помощью разложения по векторам
и
:
.
Производная функции
по направлению вектора
:
Итак,
,
.◄
Пусть функция z - /(х, у) определена в некоторой области D и пусть Мо(хо, Уо) - внутренняя точка этой области. Определение. Если существует такое число, что для всех, удовлетворяющих условиям, верно неравенство то точка Мо(хо, уо) называется точкой локального максимума функции /(х, у); если же для всех Дх, Ду, удовлетворяющих условиям | то точка Мо(хо,уо) называется тонкой локального минимума. Иными словами, точка М0(х0, у0) есть точка максимума или минимума функции /(х, у), если существует 6-окрестность точки А/о(хо,уо) такая, что во всех точках М(х, у) этой окрестности приращение функции сохраняет знак. Примеры. 1. Для функции точка - точка минимума (рис. 17). 2. Для функции точка 0(0,0) является точкой максимума (рис.18). 3. Для функции точка 0(0,0) является точкой локального максимума. 4 В самом деле, существует окрестность точки 0(0, 0), например, круг радиуса j (см. рис. 19), во всякой точке которого, отличной отточки 0(0,0), значение функции /(х,у) меньше 1 = Мы будем рассматривать только точки строгдго максимума и минимума функций, когда строгое неравенство или строгое неравенство выполняется для всех точек М(х} у) из некоторой проколотой 6-окрестности точки Mq. Значение функции в точке максимума называется максимумом, а значение функции в точке минимума - минимумом этой функции. Точки максимума и точки минимума функции называются точками экстремума функции, а сами максимумы и минимумы функции - ее экстремумами. Теорема 11 (необходимое условие экстремума). Если функция Экстремум функции нескольких переменных Понятие экстремума функции нескольких переменных. Необходимые и достаточные условия экстремума Условный экстремум Наибольшее и наименьшее значения непрерывных функций имеет экстремум в точке то в этой точке каждая частная производная и щ либо обращается в нуль, либо не существует. Пусть в точке М0(х0, уо) Функция z = f(x} у) имеет экстремум. Дадим переменной у значение уо. Тогда функция z = /(х, у) будет функцией одной переменной х\ Так как при х = хо она имеет экстремум (максимум или минимум, рис. 20), то ее производная по при х = «о, | (*о,л>)" Равна нулю, либо не существует. Аналогично убеждаемся в том, что) или равна нулю, или не существует. Точки, в которых = 0 и щ = 0 либо не существуют, называются критическими точками функции z = Дх, у). Точки, в которых $£ = щ = 0, называются также стационарными точками функции. Теорема 11 выражает лишь необходимые условия экстремума, не являющиеся достаточными. Пример. Функция Рис. 18 Рис.20 иммт производные которые обращаются а нуль при. Но эта функция а тонка на имват «страмума. Действительно, функция равна нулю в точке 0(0,0) и принимает в точках М(х,у), как угодно близких к точке 0(0,0), квк положительные, так и отрицательные значения. Для нее так что в точках в точках (0, у) при сколь угодно малых Точку 0(0,0) указанного типа называют точкой мини-макса (рис. 21). Достаточные условия экстремума функции двух переменных выражаются следующей теоремой. Теореме 12 (достаточные условии экстремума фужцим д§ух переменных). Пустьточка Мо(хо» Уо) является стационарной точкой функции f(x, у), и в некоторой окрестности точки / включая саму точку Мо, функция /(г, у) имеет непрерывные частные производные до второго порядка включительно. Тогда". 1) в точке Mq(xq, Уо) функция /(ж, у) имеет максимум, если в этой точке определитель 2) в точке Мо(я0, Уо) функция /(ж, у) имеет минимум, если в точке Мо(го, Уо) функция /(ж, у) не имеет экстремума, если D(xо, уо) < 0. Если же то в точке Мо(жо> Уо) экстремум функции f(x, у) ложет быть, о может и не быть. В этом случае требуется дальнейшее исследование. м Ограничимся доказательством утверждений 1) и 2) теоремы. Напишем формулу Тейлора второго порядка для функции /(я, у): где. По условию откуда видно, что знак приращения Д/ определяется знаком трехчлена в правой части (1), т. е. знаком второго^дифференциала d2f. Обозначим для краткости. Тогда равенство (l) можно записать так: Пусть в точке MQ(so, Уо) имеем.. Так как по условию частные производные второго порядка от функции /(s, у) непрерывны, то неравенство (3) будет иметь место и в некоторой окрестности точки M0(s0,yo). Если выполнено условие (в точке Л/0, и в силу непрерывности производная /,z(s,y) будет сохранять знак в некоторой окрестности точки Af0. В области,где А Ф 0, имеем Отсюда видно, что если ЛС - В2 > 0 в некоторой окрестности точки М0(х0) у0), то знак трехчлена ААх2 -I- 2ВАхАу + СДу2 совпадает со знаком А в точке (so, Уо) (а также и со знаком С, поскольку при АС - В2 > 0 А и С не могут иметь разные знаки). Так как знак суммы AAs2 + 2ВАхАу + САу2 в точке (s0 + $ Ах, уо + 0 Ду) определяет знак разности то мы приходим к следующему выводу: если для функции /(s,y) в стационарной точке (s0, Уо) выполнено условие, то для достаточно малых || будет выполняться неравенство. Тем самым, в точке (sq, Уо) функция /(s, у) имеет максимум. Если же в стационарной точке (s0, уо) выполнено условие),то для всех достаточно малых |Дг| и |Ду| верно неравенство, значит, в точке (so,yo) функция /(s, у) имеет минимум. Примеры. 1. Исследовать на экстремум функцию 4 Пользуясь необходимыми условиями экстремума, разыскиваем стационарные точки функции. Для этого находим частные производные, щ и приравниваем их нулю. Получаем систему уравнений откуда - стационарная точка. Воспользуемся теперь теоремой 12. Имеем Значит, в точке Мл экстремум есть. Поскольку, то это - минимум. Если преобразовать функцию г к виду то нетрудно заметить, что правая часть («) будет минимальной, когда - абсолютный минимум данной функции. 2. Исследовать на экстремум функцию Находим стационарные точки функции, для чего составляем систему уравнений Отсюда так что точке - стационарная. Так как и в силу теоремы 12 в точке М экстремума нет. * 3. Исследовать на экстремум функцию Находим стационарные точки функции. Из системы уравнений получаем, что, так что стационарной является точка. Далее имеем так что и теорема 12 не дает ответа на вопрос о наличии или отсутствии экстремума. Поступим поэтому так. Для функции о всех точках, отличных отточки так что, по определению, а точке Л/о(0,0) функция г имеет абсолютный минимум. Аналогичными раосухдениями устанавливаем, что функция имеет в точке) максимум, а функция в точке экстремума не имеет. Пусть функция п независимых переменных дифференцируема в точке Точка Мо называется стационарной точкой функции если Теорема 13 (достеточнме услоам я экстремума). Пусть функция определена и имеет непрерывные частные производные второго порядка в некоторой окрестности тонки Мц{хи..., которая является стационарной тонкой функции, если квадратинная форма (второй дифференциал функции f в тонке является положительно определенной {отрицательно определенной), тоточкойминимума (соответственно, тонкой максимума) функции f является тонка Если же квадратинная форма (4) является знакопеременной, то в тонке ЛГ0 экстремума нет. Для того что бы установить, будет ли квадратичная форма (4) положггельноили отрицательно определенной, можно воспользоваться, например, критерием Сильвестра положительной (отрицательной) определенности квадратичной формы. 15.2. Условный экстремум До сих пор мы занимались отысканием локальных экстремумов функции во всей области ее определения, когда аргументы функции не связаны никакими дополнитель ными условиями. Такие экстремумы называются безусловными. Однако часто встречаются задачи на отыскание так называемых условных экстремумов. Пусть функция z = /(х, у) определена в области D. Допустим, что в этой области задана кривая L, и нужно найти экстремумы функции f(x> у) только среди тех ее значений, которые соответствуют точкам кривой L. Таже экстремумы называют условными экстремумами функции z = f{x} у) на кривой L. Определение Говорят, что в точке, лежащей на кривой L, функция /(ж, у) имеет условный максимум (минимум), если неравенство соответственно выполняется вовсехточкахМ (s, у) кривой L, принадлежащих некоторой окрестности точки М0(х0, Уо) и отличных от точки М0 (Если кривая L задана уравнением то задача о нахождении условного экстремума функции г - f{x,y) на кривой! может быть сформулирована так: найти экстремумы функции х = /(я, у) в области D при условии, что Таким образом, при нахождении условных экстремумов функции z = у) аргументы гну уже нельзя рассматривать как независимые переменные: они связаны между собой соотношением у) = 0, которое называют уравнением связи. Чтобы пояснить различив м«*Д у безусловным и условным экстремумом, рвссмотрим твкой пример, безусловный максимум функции (рис.23) рвеен единице и достигается в точке (0,0). Ему соответствует точив М - вершине пврвбо-лоида, Присоединим уравнение связи у = j. Тогда условный максимум будет, очевидно, рввен Он достигается а точке (о,|), и ему отввчвет вершине Afj пврвболы, являющейся линией пересечения пврвболоида с плоскостью у = j . В случае безусловного мвксимумв мы имеем мвксимвльную аппликату среди всех вппликвт поверхности * = 1 - л;2 ~ у1; слумвв условного - только среди вллликвт точек пвраболоидв, отввчвющих точке* прямой у = j не плоскости хОу. Один из методов отыскания условного экстремума функции при наличи и связи состоит в следующем. Пусть уравнение связи у)- О определяет у как однозначную дифференцируемую функцию аргумента х: Подставляя в функцию вместо у функцию, получаем функцию одного аргумента в которой условие связи уже учтено. Экстремум (безусловный) функции является искомым условным экстремумом. Пример. Найти экстремум функции при условии Экстремум функции нескольких переменных Понятие экстремума функции нескольких переменных. Необходимые и достаточные условия экстремума Условный экстремум Наибольшее и наименьшее значения непрерывных функций А Из уравнения связи (2") находим у = 1-х. Подставляя это значение у в (V), получим функцию одного аргумента х: Исследуем ее на экстремум: откуда х = 1 - критическая точка; , так что доставляет условный минимум функции г {рис.24). Укажем другой способ решения задачи об условном экстремуме, называемый методом множитмей Лагран-жа. Пусть есть точка условного экстремума функции при наличии связи Допустим, что уравнение связи определяет единственную непрерывно дифференцируемую функцию в некоторой окрестности точки хй. Считая, что получаем, что производная по ж от функции / (г, ip(x)) в точке xq должна быть равна нулю или, что равносильно этому, должен быть равен нулю дифференциал от f(x, у) в точке Мо" О) Из уравнения связи имеем (5) Умножая последнее равенство на неопределенный пока числовой множитель А и складывая почленно с равенством (4), будем иметь (считаем, что). Тогда в силу произвольности dx получим Равенства (6) и (7) выражают необходимые условия безусловного экстремума в точке функции которая называется функцией Лагранжа. Таким образом, точка условного экстремума функции /(х, у), если, есть обязательно стационарная точка функции Лагранжа где А - некоторый числовой коэффициент. Отсюда получаем правило дЛя отыскания условных экстремумов: чтобы найти точки, которые могут быть точками усювного экстремума функции при наличии связи 1) составляем функцию Лагранжа, 2) приравнивая нулю производные и Щ этой функции и присоединяя к полученным уравнениям уравнение связи, получаем систему из трех уравнений из которой находим значения А и координаты х, у возможных точек экстремума. Вопрос о существовании и характере условного экстремума решается на основании изучения знака второго дифференциала функции Лагранжа для рассматриваемойсистемы значений x0, Уо, А, полученной из (8) при условии, что Если, то в точке (х0, Уо) функция /(х,у) имеет условный максимум; если d2F > 0 - то условный минимум. В частности, если в стационарной точке (хо, J/o) определитель D для функции F(x, у) положителен, то в точке (®о, Уо) имеется условный максимум функции /(х, у), если, и условный минимум функции /(ж, у), если Пример. Вновь обратимся к условиям предыдущего примера: найти экстремум функции при условии, что х + у = 1. Будем решать задачу методом множителей Лагранжа. Функция Лагранжа в данном случае имеет вид Для отыскания стационарных точек составляем систему Из первых двух уравнений системы получаем, что х = у. Затем из третьего уравнения системы (уравнения связи) находим, что х - у = j - координаты точки возможного экстремума. При этом (указывается, что А = -1. Таким образом, фунщия Лагранжа. есть точка условного минимума функции * = х2 + у2 при условии Отсутствие безусловного экстремума для функции Л агранжа.Р(х, у) еще не означает отсутствия условного экстремумадля функции /(ж, у) при наличии связи Пример. Найти экстремум функции при условии у 4 Составляем функцию Лагранжа и выписываем систему для определения А и координат возможных точек экстремума: Из первых двух уравнений получаем х + у = 0 и приходим к системе откуда х = у = А = 0. Таким образом, соответствующая функция Лагранжа имеет вид В точке (0,0) функция F(x, у; 0) не имеет безуслов ного экстремума, однако условный экстремум функции г = ху. когда у = х, имеется. Действительно, в этом случае г = х2. Отсюда видно, что в точке (0,0) есть условный минимум. » Метод множителей Лагранжа переносится на случай функций любого числа аргументов/ Пусть ищется экстремум функции при наличии уравнений связи Состааляе м функцию Лагранжа где А|, Аз,..., А„, - неопределенные постоянные множители. Приравнивая нулю все частные производные первого порядка от функции F и присоединяя к полученным уравнениям уравнения связи (9), получим систему n + m уравнений, из которых определяем Аь А3|..., Ат и координаты х\} х2) . »хп возможных точек условного экстремума. Вопрос о том, являются ли найденные по методу Лагранжа точки действительно точками условного экстремума зачастую может быть решен на основании соображений физического или геометрического характера. 15.3. Наибольшее и наименьшее значения непрерывных функций Пусть требуется найти наибольшее (наименьшее) значение функции z = /(х, у), непрерывной в некоторой замннугой ограниченной области D. По теореме 3 в этой области найдется точка (хо, Уо), в которой функция принимает наибольшее (наименьшее) значение. Если точка (хо, у0) лежит внутри области D, то в ней функция / имеет максимум (минимум), так что в этом случае интересующая нас точка содержится среди критических точек функции /(х, у). Однако своего наибольшего (наименьшего) значения функция /(х, у) может достигать и на границе области. Поэтому, чтобы найти наибольшее (наименьшее) значение, принимаемое функцией z = /(х, у) в ограниченной замкнутой области 2), нужно найти все максимумы (минимумы) функции, достигаемые внутри этой области, а также наибольшее (наименьшее) значение функции на границе этой области. Наибольшее (наименьшее) из всех этих чисел и будет искомым наибольшим (наименьшим) значением функции z = /(х,у) в области 27. Покажем, как это делается в случае дифференцируемой функции. Прммр. Найти наибольшее и наименьшее значения функции области 4 Находим критические точки функции внутри области D. Для этого составляем систему уравнений Отсюда получаем х = у « 0, так что точка 0(0,0) - критическая точка функции х. Так как Найдем теперь наибольшее и наименьшее значения функции на границе Г области D. На части границы имеем так что у = 0 - критическая точка, и так как = то в этой точке функция z = 1 + у2 имеет минимум, равный единице. На концах отрезка Г», в точках (, имеем. Пользуясь соображениями симметрии, те же результаты получаем для других частей границы. Окончательно получаем: наименьшее значение функции z = х2+у2 в области "Б равно нулю и достигается оно во внутренней точке 0(0, 0) области, а наибольшее значение этой фунмции, равное двум, достигается в четырех точках границы (рис.25) Рис.25 Упражнения Найдите область определения функций: Постройте линии уровня функций: 9 Найдите поверхности уровня функций трех независимых переменных: Вычислите пределы функций: Найдите частные производные функций и их полные дифференциалы: Найдите производные сложных функций: 3 Найдите J. Экстремум функции нескольких переменных Понятие экстремума функции нескольких переменных. Необходимые и достаточные условия экстремума Условный экстремум Наибольшее и наименьшее значения непрерывных функций 34. Используя формулу производной сложной функции двух переменных, найдите и функций: 35. Используя формулу производной сложной функции двух переменных, найдите |J и функций: Найдите jj функций, заданных неявно: 40. Найдите угловой коэффициент касательной кривой в точке пересечения ее с прямой х = 3. 41. Найдите точки, в которых касательная кривой х параллельна оси Ох. . В следующих задачах найдите и Ц: Напишите уравнения касательной плоскости и нормали поверхности: 49. Составьте уравнения касательных плоскостей поверхности х2 + 2у2 + Зг2 = 21, параллельных плоскости х + 4у + 6z = 0. Найдите три-четыре первых члена разложения по формуле Тейлора: 50. у в окрестности точки (0, 0). Пользуясь определением экстремума функции, исследуйте на экстремум следующие функции:). Используя достаточные условия экстремума функции двух переменных, исследуйте на экстремум функции: 84. Найдите наибольшее и наименьшее значения функции z = х2 - у2 в замкнутом круге 85. Найдите наибольшееинаименьшеезначенияфункции* = х2у(4-х-у) в треугольнике, ограниченном прямыми х = 0, у = 0, х + у = б. 88. Определите размеры прямоугольного открытого бассейна, имеющего наименьшую поверхность, при условии, что его объем равен V. 87. Найдите размеры прямоугольного параллелепипеда, имеющего приданной полной поверхности 5 максимальный объем. Ответы 1. и | Квадрат, образованный отрезками прямых х включая его стороны. 3. Семейство концентрических колец 2= 0,1,2,... .4. Вся плоскость за исключением точек прямых у. Часть плоскости, расположенная вуше параболы у = -х?. 8. Точки окружности х. Вся плоскость за исключением прямых х Подкоренное выражение неотрицательно в двух случаях j * ^ или j х ^ ^ что равносильно бесконечной серии неравенств соответственна Область определения - заштрихованные квадраты (рис.26); л что равносильно бесконечной серии Функция определена в точках. а) Прямые, параллельные прямой х б) концентрические окружности с центром в начале координат. 10. а) параболы у) параболы у а) параболы б)гиперболы | .Плоскости xc. 13.Прим -одно-полостные гиперболоиды вращения вокруг оси Oz; при и - двуполостные гиперболоиды вращения вокруг оси Oz, оба семейства поверхностей разделяет конус; Предела не существует, б) 0. 18. Положим у = kxt тогда z lim z = -2, так что заданная функция в точке (0,0) предела не имеет. 19. а) Точка (0,0); б) точка (0,0). 20. а) Линия разрыва - окружность х2 + у2 = 1; б) линия разрыва - прямая у = х. 21. а) Линии разрыва - координатные оси Ох и Оу; б) 0 (пустое множество). 22. Все точки (т,п),гдет и п -целые числа
