關(guān)于二元函數(shù)求極值問(wèn)題的探討

陳康 李明明

摘 要：二元函數(shù)極值問(wèn)題是高等數(shù)學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中也存在著一定的難度，因此筆者通過(guò)多年的教學(xué)以及研究，通過(guò)部分例題的舉例來(lái)說(shuō)明二元函數(shù)極值的求解。

關(guān)鍵詞：二元函數(shù)；極值；極值求解

一、 二元函數(shù)極值的相關(guān)定義

如果二元函數(shù)z=f（x，y）在某點(diǎn)P（x0，y0）的某個(gè)領(lǐng)域內(nèi)有定義的話，存在異該領(lǐng)域內(nèi)P（x0，y0）的任一點(diǎn)Q（x，y），都有f（x，y）>f（x0，y0）（或f（x，y）

設(shè)二元函數(shù)z=f（x，y）在點(diǎn)（x0，y0）處具有偏導(dǎo)數(shù)，且在點(diǎn)（x0，y0）處存在極值，則有f′x（x0，y0）=0，f′y（x0，y0）=0。并稱(chēng)能使f′x（x，y）=0，f′y（x，y）=0同時(shí)成立的點(diǎn)（x0，y0）為函數(shù)z=f（x，y）的駐點(diǎn)。從這里可以看出只要函數(shù)存在極值點(diǎn)而且偏導(dǎo)數(shù)等于0，則一定是駐點(diǎn)。如果是駐點(diǎn)，就不一定是極值點(diǎn)了，需要再進(jìn)一步討論。那么該如何討論駐點(diǎn)是不是極值點(diǎn)呢？用極值存在的充分條件進(jìn)行判斷。

設(shè)函數(shù)z=f（x，y）在點(diǎn)（x0，y0）的某鄰域內(nèi)連續(xù)且有一階及二階連續(xù)偏導(dǎo)數(shù)，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，則f（x，y）在（x0，y0）處是否取得極值的條件如下：

（1） AC-B2>0時(shí)具有極值，且當(dāng)A<0時(shí)有極大值，當(dāng)A>0時(shí)有極小值；

（2） AC-B2<0時(shí)沒(méi)有極值；

（3） AC-B2=0時(shí)可能有極值，也可能沒(méi)有極值，需另作討論。

與一元函數(shù)類(lèi)似，我們利用函數(shù)的極值求解函數(shù)的最值。如果f（x，y）在有界閉區(qū)域D上連續(xù)，則f（x，y）在D上必定能取得最大值和最小值。這種使函數(shù)取得最大值或最小值的點(diǎn)既可能在D的內(nèi)部，也可能在D的邊界上。假定函數(shù)在D上連續(xù)，在D內(nèi)可微且只有有限個(gè)駐點(diǎn)，這時(shí)如果函數(shù)在D的內(nèi)部取得最大值（最小值），則這個(gè)最大值（最小值）也是函數(shù)的極大值（極小值）。因此，在上述假定下，求函數(shù)最值的一般方法是：將函數(shù)f（x，y）在D內(nèi)的所有駐點(diǎn)處的函數(shù)值及在D邊界上的最值相互比較，其中最大的為最大值，最小的為最小值。對(duì)于實(shí)際問(wèn)題，如果駐點(diǎn)唯一，且由實(shí)際意義知問(wèn)題存在最值，則該駐點(diǎn)即為最大值點(diǎn)。如果存在多個(gè)駐點(diǎn)，且由實(shí)際意義知問(wèn)題存在最大值和最小值，則只需比較各駐點(diǎn)處的函數(shù)值，最大的則為最大值，最小的則為最小值。

二、 舉例說(shuō)明極值求解方法

對(duì)于無(wú)條件極值問(wèn)題做題步驟是：（1）先求出駐點(diǎn)；（2）然后用極值的判斷方法進(jìn)行判斷求解。

對(duì)于條件極值問(wèn)題，要視條件的情況而定，情況1：條件是方程，則可以用拉格朗日數(shù)乘法，或者將條件帶入二元函數(shù)中轉(zhuǎn)化為一元函數(shù)來(lái)求解；情況2：條件是區(qū)域，則區(qū)域內(nèi)用無(wú)條件極值的方法求解，得到滿足區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)，排除區(qū)域外的點(diǎn)，區(qū)域邊界用情況1的方法求解。

例1：設(shè)z=z（x，y）是由x2-6xy+10y2-2yz-z2+18=0確定的函數(shù)，求z=z（x，y）的極值點(diǎn)和極值。

此題為無(wú)條件極值問(wèn)題，因此用無(wú)條件極值的方法求解，如下：

【解】x2-6xy+10y2-2yz-z2+18=0，對(duì)x，y求導(dǎo)，有

2x-6y-2yzx-2zzx=0

-6x+20y-2z-2yzy-2zzy=0（*）

令zx=0

zx=0得方程組x-3y=0

-3x+10y-z=0故解得x=3y

z=y

將上式代入x2-6xy+10y2-2yz-z2+18=0，可得x=9

y=3

z=3或x=-9

y=-3

z=-3

將（*）再分別對(duì)x，y求導(dǎo)，有

2-2y2zx2-2（zx）2-2z2zx2=0

-6-2zx-2y2zxy-2zy·zx-2z2zxy=0

20-2zy-2zy-2y2zy2-2zy2-2z2zy2=0

則A=2zx2（9，3，3）=16，B=2zxy（9，3，3）=-12，C=2zy2（9，3，3）=53

故AC-B2=136>0，又A=16>0，從而點(diǎn)（9，3）是z（x，y）的極小值點(diǎn)，極小值為z（9，3）=3。類(lèi)似地有A=2zx2（-9，-3，-3）=-16，B=2zxy（-9，-3，-3）=12，C=2zy2（-9，-3，-3）=-53

可知AC-B2=136>0，又A=-16<0，從而點(diǎn)（9，3）是z（x，y）的極小值點(diǎn)，極小值為z（-9，-3）=-3。

例2求函數(shù)z=f（x，y）=cosx+cosy+cos（x-y）在閉區(qū)域D：0≤x≤π2，0≤y≤π2上的最值。

【分析】由于函數(shù)f（x，y）在閉區(qū)域D上連續(xù)，故f（x，y）在D上必存在最大值與最小值。要求最值點(diǎn)，應(yīng)首先求出D內(nèi)的可能極值點(diǎn)，其次再求出f（x，y）在D的邊界上的極值點(diǎn)，最后比較大小。

【解析】z′x=-sinx-sin（x-y），z′y=-siny+sin（x-y），z″xx=-cosx-cos（x-y），

z″xy=cos（x-y），z″yy=-cosy-cos（x-y）。令z′x=0，z′y=0，得sinx=-sin（x-y）

siny=sin（x-y），則sinx+siny=0。在D的內(nèi)部，00，siny>0，故上述方程組在D的內(nèi)部無(wú)解，即D的內(nèi)部無(wú)極值點(diǎn)。從而最值點(diǎn)只能在D的邊界上達(dá)到。又當(dāng)0≤x≤π2時(shí)，1≤f（x，0）=f（0，x）=1+2cosx≤3，1≤fx，π2=fπ2，x=2sinx+π4≤2，且f（0，0）=3，f0，π2=1.故f（x，y）在D的邊界上最大值為3，最小值為1.綜上，f（x，y）在D上最大值為3，最小值為1.

三、 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)很多學(xué)者都在做極值方面的研究，也發(fā)現(xiàn)了很多可喜可賀的成果。但是很多學(xué)生在二元函數(shù)極值問(wèn)題的討論上仍存在一定的問(wèn)題，希望本文對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)極值的時(shí)候有一定的貢獻(xiàn)，幫助學(xué)生解決相關(guān)問(wèn)題，供大家學(xué)習(xí)參考。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

陳康，李明明，四川省成都市，西南交通大學(xué)希望學(xué)院。