极值的计算与应用

闭区域上的最大值与最小值

定理1

设函数 f(x,y)f(x, y) 在有界闭区域 DD 上连续,则 ffDD 上必有最大值和最小值。求法:

  1. 求出 ffDD 内部的所有驻点和偏导数不存在的点,计算函数值。
  2. 求出 ffDD 的边界上的最大值和最小值。
  3. 比较上述所有函数值,最大者为最大值,最小者为最小值。
几何解释
推论
证明
符号说明

典型应用题

例题1:无盖水箱的最大容积

某厂要用铁板做一个体积为 2m32\text{m}^3 的有盖长方体水箱,问怎样选择尺寸才能使所用材料最省?

参考答案(4 个标签)
极值应用最值长方体材料最省
  1. 设水箱长、宽、高分别为 x,y,zx, y, z,体积 xyz=2xyz = 2,表面积 S=2(xy+yz+xz)S = 2(xy + yz + xz)
  2. z=2xyz = \frac{2}{xy},得 S(x,y)=2(xy+2x+2y)S(x,y) = 2(xy + \frac{2}{x} + \frac{2}{y})x>0,y>0x>0, y>0
  3. Sx=2(y2x2)S_x = 2(y - \frac{2}{x^2})Sy=2(x2y2)S_y = 2(x - \frac{2}{y^2})
  4. Sx=Sy=0S_x = S_y = 0y=2x2y = \frac{2}{x^2}x=2y2x = \frac{2}{y^2}
  5. 代入得 x=2(2/x2)2=x42x = \frac{2}{(2/x^2)^2} = \frac{x^4}{2},即 x3=2x^3 = 2x=23x = \sqrt[3]{2}
  6. 同理 y=23y = \sqrt[3]{2}z=2xy=2(23)2=23z = \frac{2}{xy} = \frac{2}{(\sqrt[3]{2})^2} = \sqrt[3]{2}
  7. 由实际意义,表面积最小值存在且唯一,故当长=宽=高=23m\sqrt[3]{2}\text{m} 时材料最省。

答案:当水箱为边长 23m\sqrt[3]{2}\text{m} 的正方体时,所用材料最省。

例题2:最大内接长方体

求内接于椭球面 x2a2+y2b2+z2c2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} + \frac{z^2}{c^2} = 1 的最大长方体的体积(长方体的各面平行于坐标面)。

参考答案(4 个标签)
极值应用椭球面内接长方体最值
  1. 设长方体在第一卦限的顶点为 (x,y,z)(x,y,z),则体积 V=8xyzV = 8xyz
  2. 由椭球面方程,z=c1x2a2y2b2z = c\sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}}
  3. V(x,y)=8cxy1x2a2y2b2V(x,y) = 8cxy\sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}}
  4. 为方便计算,最大化 V2=64c2x2y2(1x2a2y2b2)V^2 = 64c^2x^2y^2(1-\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2})
  5. u=x2,v=y2u = x^2, v = y^2,最大化 f(u,v)=uv(1ua2vb2)f(u,v) = uv(1-\frac{u}{a^2}-\frac{v}{b^2})
  6. fu=v(12ua2vb2)f_u = v(1-\frac{2u}{a^2}-\frac{v}{b^2})fv=u(1ua22vb2)f_v = u(1-\frac{u}{a^2}-\frac{2v}{b^2})
  7. fu=fv=0f_u=f_v=0,解得 u=a23,v=b23u = \frac{a^2}{3}, v = \frac{b^2}{3}
  8. x=a3,y=b3,z=c3x = \frac{a}{\sqrt{3}}, y = \frac{b}{\sqrt{3}}, z = \frac{c}{\sqrt{3}}
  9. 最大体积 V=8a3b3c3=8abc33V = 8 \cdot \frac{a}{\sqrt{3}} \cdot \frac{b}{\sqrt{3}} \cdot \frac{c}{\sqrt{3}} = \frac{8abc}{3\sqrt{3}}

答案:最大体积为 8abc33\frac{8abc}{3\sqrt{3}}

例题3:最小二乘法

已知一组数据 (xi,yi)(x_i, y_i)i=1,,ni=1,\ldots,n),求直线 y=ax+by = ax + b 使得误差平方和 S=i=1n(yiaxib)2S = \sum_{i=1}^n (y_i - ax_i - b)^2 最小。

参考答案(4 个标签)
极值应用最小二乘法线性回归最值
  1. S(a,b)=i=1n(yiaxib)2S(a,b) = \sum_{i=1}^n (y_i - ax_i - b)^2
  2. Sa=2i=1nxi(yiaxib)\frac{\partial S}{\partial a} = -2\sum_{i=1}^n x_i(y_i - ax_i - b)Sb=2i=1n(yiaxib)\frac{\partial S}{\partial b} = -2\sum_{i=1}^n (y_i - ax_i - b)
  3. 令偏导数为零: {axi2+bxi=xiyiaxi+nb=yi\begin{cases} a\sum x_i^2 + b\sum x_i = \sum x_i y_i \\ a\sum x_i + nb = \sum y_i \end{cases}
  4. 解得: a=nxiyi(xi)(yi)nxi2(xi)2a = \frac{n\sum x_i y_i - (\sum x_i)(\sum y_i)}{n\sum x_i^2 - (\sum x_i)^2} b=(yi)(xi2)(xi)(xiyi)nxi2(xi)2b = \frac{(\sum y_i)(\sum x_i^2) - (\sum x_i)(\sum x_i y_i)}{n\sum x_i^2 - (\sum x_i)^2}
  5. 黑塞矩阵 H=(2xi22xi2xi2n)H = \begin{pmatrix} 2\sum x_i^2 & 2\sum x_i \\ 2\sum x_i & 2n \end{pmatrix},当 xix_i 不全相等时正定,故为最小值点。

答案:最小二乘直线的斜率和截距由上述公式给出,这就是线性回归的正规方程。

例题4:闭区域上的最值

f(x,y)=x22xy+2yf(x, y) = x^2 - 2xy + 2y 在矩形区域 D={(x,y)0x3,0y2}D = \{(x,y) \mid 0 \leq x \leq 3, 0 \leq y \leq 2\} 上的最大值和最小值。

参考答案(4 个标签)
最值闭区域边界矩形
  1. 内部驻点fx=2x2y,fy=2x+2f_x = 2x-2y, f_y = -2x+2,令为零得 x=1,y=1x=1, y=1f(1,1)=1f(1,1)=1
  2. 边界 y=0y=00x30\leq x\leq3f=x2f=x^2,最小值 f(0,0)=0f(0,0)=0,最大值 f(3,0)=9f(3,0)=9
  3. 边界 y=2y=20x30\leq x\leq3f=x24x+4=(x2)2f=x^2-4x+4=(x-2)^2,最小值 f(2,2)=0f(2,2)=0,最大值 f(0,2)=4f(0,2)=4
  4. 边界 x=0x=00y20\leq y\leq2f=2yf=2y,最小值 f(0,0)=0f(0,0)=0,最大值 f(0,2)=4f(0,2)=4
  5. 边界 x=3x=30y20\leq y\leq2f=96y+2y=94yf=9-6y+2y=9-4y,最小值 f(3,2)=1f(3,2)=1,最大值 f(3,0)=9f(3,0)=9
  6. 比较所有值:最大值为 99(在 (3,0)(3,0) 处),最小值为 00(在 (0,0)(0,0)(2,2)(2,2) 处)

答案:最大值为 f(3,0)=9f(3,0)=9,最小值为 f(0,0)=f(2,2)=0f(0,0)=f(2,2)=0


练习题

练习1

要造一个容积为 VV 的圆柱形无盖容器,问底半径和高各为多少时用料最省?

参考答案(4 个标签)
极值应用圆柱体最值材料最省
  1. 设底半径 rr,高 hh,体积 πr2h=V\pi r^2 h = V,表面积 S=πr2+2πrhS = \pi r^2 + 2\pi rh
  2. h=Vπr2h = \frac{V}{\pi r^2}S(r)=πr2+2VrS(r) = \pi r^2 + \frac{2V}{r}
  3. S(r)=2πr2Vr2S'(r) = 2\pi r - \frac{2V}{r^2},令 S=0S'=0r3=Vπr^3 = \frac{V}{\pi}r=Vπ3r = \sqrt[3]{\frac{V}{\pi}}
  4. h=Vπr2=Vπ(V/π)2/3=Vπ3=rh = \frac{V}{\pi r^2} = \frac{V}{\pi (V/\pi)^{2/3}} = \sqrt[3]{\frac{V}{\pi}} = r
  5. S(r)=2π+4Vr3>0S''(r) = 2\pi + \frac{4V}{r^3} > 0,故为最小值

答案:当底半径 r=Vπ3r = \sqrt[3]{\frac{V}{\pi}},高 h=Vπ3h = \sqrt[3]{\frac{V}{\pi}}(即高等于底半径)时用料最省。

练习2

求函数 f(x,y)=xyf(x, y) = xy 在圆域 x2+y21x^2 + y^2 \leq 1 上的最大值和最小值。

参考答案(4 个标签)
最值闭区域圆域边界
  1. 内部驻点fx=y,fy=xf_x=y, f_y=x,驻点 (0,0)(0,0)f(0,0)=0f(0,0)=0
  2. 边界 x2+y2=1x^2+y^2=1:令 x=cosθ,y=sinθx=\cos\theta, y=\sin\thetaf=cosθsinθ=12sin2θf=\cos\theta\sin\theta = \frac{1}{2}\sin 2\theta
  3. 边界上最大值为 12\frac{1}{2}θ=π4,5π4\theta=\frac{\pi}{4}, \frac{5\pi}{4}),最小值为 12-\frac{1}{2}θ=3π4,7π4\theta=\frac{3\pi}{4}, \frac{7\pi}{4}
  4. 比较得:最大值 12\frac{1}{2},最小值 12-\frac{1}{2}

答案:最大值为 12\frac{1}{2}(在 (22,22)(\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2})(22,22)(-\frac{\sqrt{2}}{2},-\frac{\sqrt{2}}{2}) 处),最小值为 12-\frac{1}{2}(在 (22,22)(-\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2})(22,22)(\frac{\sqrt{2}}{2},-\frac{\sqrt{2}}{2}) 处)。


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
DD区域domain有界闭区域
VV体积volume几何体的体积
SS表面积/误差平方和surface / sum表面积或误差平方和
nn数据点数number of data points最小二乘法中的数据量

中英对照

中文术语英文术语音标
最大值maximum/ˈmæksɪməm/
最小值minimum/ˈmɪnɪməm/
有界闭区域bounded closed region/ˈbaʊndɪd kloʊzd ˈriːdʒən/
边界boundary/ˈbaʊndəri/
最小二乘法least squares method/liːst skweərz ˈmɛθəd/
线性回归linear regression/ˈlɪniər rɪˈɡrɛʃən/
正规方程normal equations/ˈnɔːrməl ɪˈkweɪʒənz/
最优化optimization/ˌɒptɪmaɪˈzeɪʃən/
目标函数objective function/əbˈdʒɛktɪv ˈfʌŋkʃən/
约束条件constraint/kənˈstreɪnt/