刷题-多元函数极值

1

设函数 f(u) 的导数连续,且 f(1)=0,f(1)>0,z=0xyf(t)dt,证明:z(1,1) 处取最小值。


难点是消去积分符号,所以我们设 xy=u,F(u)=0uf(t)dt,那么有:

z=F(u)=f(u),F(1)=0,F(1)>0

为了求 z 的最小值,故而需要首先求 z 的极值,所以我们需要知道,所有使得 zx,zy 同时为 0 的点。

zx=f(u)ux=f(1)y=0zy=f(u)uy=f(1)x=0A=zxx=f(u)(ux)2+2ux2f(u)=f(1)B=zxy=f(u)uyux+2uxyf(u)=f(1)C=zyy=f(u)(uy)2+f(u)2uy2=f(1)ACB2=f2(1)f2(1)=0

故而,只能利用定义法判断极值,即证明在 (1,1) 的邻域中,F(xy)F(1)。注意到,条件转化后出现了很多导数,所以很容易想到在 1 处对 F(xy) 进行拉格朗日余项的泰勒展开:

F(xy)=F(1)+(xy1)F(1)+(xy1)22F(ξxy)F(xy)F(1)=(xy1)F(1)+(xy1)22F(ξxy)=(xy1)22F(ξxy)

由此,我们只需要考虑 F(ξxy) 的正负性即可得处答案。由泰勒展开的定义可知:ξxy(xy,1)。由于 F(u) 连续,故而由极限的保号性,可以得到 F(ξxy)>0.

从而,可以得到 (1,1) 是极小值。

2

已知函数 f(x,y) 在点 (0,0) 某个领域内连续,且 lim(x,y)(0,0)f(x,y)xy21cosx2+y2=1,尝试证明:点 (0,0)f(x,y) 的驻点也是极小值点。


由于极限的性质,我们知道 f(0,0)=0,要证明是极小值点,就要证明 f(x,y)f(0,0),通过等价无穷小我们可以得到以下变形:

lim(x,y)(0,0)f(x,y)xy21cosx2+y2=lim(x,y)(0,0)f(x,y)xy212(x2+y2)=1f(x,y)=12(1+α)(x2+y2)+xy2,α=α(x,y)0

我们可以看到 12(1+α)(x2+y2) 是恒大于 0 的,故而我们只需要考虑 xy2 的正负,但是这一部分是可正可负的,故而,我们需要进一步变形,注意到,xy2 可以和 y2 合并,故而有:

f(x,y)=12(1+α)x2+y2(x+12(1+α))

根据极限的保号性,可以得到 x+12(1+α)>0,故而有 f(x,y)f(0,0),所以,(0,0)f(x,y) 的极小值。

现在证明 (0,0) 是驻点,即证明 fx(0,0)=fy(0,0)=0,从而有:

fx=limx0,y=0f(x,0)x=0fy=limy0,x=0f(0,y)y=0

故而,(0,0) 是驻点。

3

求函数 z=x4+y4x22xyy2 的极值。


先分别对 x 和对 y 的偏导:

zx=4x32x2yzy=4y32y2xA=zxx=12x22B=zxy=2C=zyy=12y22ACB2=(12x22)(12y22)4

由极值点的定义可得:zx=zy=0,从而有:

4x32x2y=4y32y2x=0x=y

于是,我们解方程可以得到 3 个解:(0,0),(1,1),(1,1),分别代入 ACB20,a,b,其中 a,b>0,故而不讨论最后两个解,即 (1,1),(1,1) 由于 A>0,故而都是极小值。

现在来讨论点 (0,0),我们不能一下子判断 z(x,y),z(0,0) 的关系,故而对 z 进行一些变换

z=x4+y4(x+y)2

可以发现,z 是很有可能小于 0 的,故而我们大胆猜测 (0,0) 不是极值点。要想证明不是极值点,我们只需要在 (0,0) 邻域同时找到 z>0,z<0 即可。先找 z>0 的情况,我们设邻域内的点以 y=x 的方式趋近 (0,0),从而有:

z=2x40

再找 z<0 的情况。我们设邻域内的点以 y=x 的方式趋近 (0,0),故而有:

z=2x44x2=2x2(x22)

由于在邻域内 x0,故而 x22<0,从而 z0。这样,我们证明了 (0,0) 不是极值点。

4

已知函数 z=z(x,y) 是由方程 (x2+y2)z+lnz+2(x+y+1)=0 确定,求 z=z(x,y) 的极值。


这是隐函数的极值,故而对等式两边求偏导:

{2xz+(x2+y2)zx+1zzx+2=02yz+(x2+y2)zy+1zzy+2=0

z 在某点取极值的必要条件是 zx=zy=0,从而有

{x=1zy=1z

我们将这个关系代入原式有:

lnz+22z=0

不难得知 z=1 是该方程唯一的零点,从而有 (1,1) 是驻点。现在判断该驻点是不是极值点,对上述式子重新求导得:

2z+2xzx+2xzx+(x2+y2)zxx+(1z2zx)zx+1zzxx=02xzy+2yzx+(x2+y2)zxy+(1z2zy)zx+1zzxy=02z+2yzy+2yzy+(x2+y2)zyy+(1z2zy)zy+1zzyy=0

我们由 zx=zy=0,可以得知:

A=zxx=23C=zyy=23B=zxy=0ACB2>0

由于 A<0,故而点 (1,1) 是极大值。

5

已知曲线 C:{x2+y22z2=0x+y+3z=5,求曲线 C 上距离 xOy 面最远的点和最近的点。


距离 xOy 面的距离为 d=|z|,但是核心矛盾是距离函数带有绝对值,故而我们无法求导,利用拉格朗日乘数法求解,我们必须对距离进行等价变换:

d=|z|d2=z2

这样我们就可以使用拉格朗日乘数法了:

F=z2+λ(x2+y22z2)+μ(x+y+3z5)=0

分别对 x,y,z,λ,μ 求偏导得:

{Fx=2xλ+μ=0Fy=2yλ+μ=0Fz=2z4λz+3μ=0Fλ=x2y22z2=0Fμ=x+y+3z5=0

注意到,我们交换 x,y 对于该曲线 C 没有影响,故我们可以采取固定的模式简化这个方程:

FxFy=2λ(xy)=0

故而,我们需要分类讨论,

  1. λ=0,那么有:
μ=0x2+y2=0x=y=z=0

但是对于 Fμ,却产生了矛盾即代入这个式子后 50
2. 从而我们只能假设 xy=0,我们有:

{x2=z22x+3z5=0x=z 或 x=z

我们要继续进行分类讨论,

故而,我们只需要比较两个稳定点的大小,就可以得到其最值了:

{z2=25,(x,y,z)=(5,5,5)z2=1,(x,y,z)=(1,1,1)

从而,最远的点为 (5,5,5),最近的点为 (1,1,1)

6

求函数 f(x,y)=x2y2+2xy 在区域 D={(x,y)x2+y21,x,y0} 上的最大值和最小值。


对于这样的一个区域内球最值的问题,我们首先应该分为两个问题一个是边界上的条件最值问题,一个是闭区域内的最值问题,闭区域的最值只可能在区域内驻点取到。而对于边界上的条件最值问题,最值可能在两个地方去到,一个是端点,一个是稳定点。

先讨论区域内的驻点,以求可能的最值。设 z=x2+y2,那么有 zx=2x,zy=2y,显然驻点为 (0,0),但由于这个驻点在边界上,故我们不去讨论这个点。

故而我们可以先讨论边界上的条件最值问题。该区域 D 的示意图如下:
image.png|200
有三端表达式不同的边界,一个是 OA,OB,AB^。我们需要分类讨论。先讨论 OA,对于 OA,显然满足如下式子:

{x=0y1

y=1 时,f(x,y) 最小,fOA(x,y)min=1,fOA(x,y)max=0

对于 OB,有 {0x1y=0,从而有 x=0 时,取最小值 fOB(x,y)min=0,fOB(x,y)max=1

对于 AB^,端点值已经由上述两种情况讨论过了,故而我们直接进行条件极值计算,设 F=x2y2+2xy+μ(x2+y21)。从而求偏导有:

{Fx=2x+2y+2xμ=0Fy=2y+2x+2yμ=0Fμ=x2+y21=0

我们解出 μ=(x+y)x=yxy,从而我们得出 x22xyy2=0,由于这是一个齐次方程,故而我们可以这样变形:

x22xyy2=(xy)22xy1=0xy=1±2

我们需要分类讨论:

  1. xy=1+2,那么代入 Fμy=±14+22,x=±(1+2)14+22
    直接通过这个解去计算最值是很麻烦的,所以需要利用已知结论对 f(x,y) 做一些变形:
x2y2+2xy=2(x2y2)=2(12y2)=2
  1. xy=12 ,同理有 y=±1422,x=±(12)1422,根据第一个情况的变形有
x2y2+2xy=2(12y2)=2

但是第二种情况由于违背了 x,y0 的条件,所以不能成立,综上所述,最大值为 2,最小值为 1