Как найти наибольшее и наименьшее значения функции в ограниченной замкнутой области? Наибольшее и наименьшее значение функции Исследовать функцию найти наибольшее и наименьшее.

Наибольшее и наименьшее значения

Функция, ограниченная в ограниченной замкнутой области, достигает в ней наибольшего и наименьшего значений или в стационарных точках, или в точках, лежащих на границе области.

Для нахождения наибольшего или наименьшего значений функции необходимо:

1. Найти стационарные точки, лежащие внутри данной области, и вычислить в них значение функции.

2. Найти наибольшее (наименьшее) значение функции на границе области.

3. Сравнить все полученные значения функции: самые большее (меньшее) и будет наибольшим (наименьшим) значением функции в данной области.

Пример 2 . Найти наибольшее (наименьшее) значение функции: в круге .

Решение .

точка стационарная; .

2 .Границей данной замкнутой области является окружность или , где .

Функция на границе области становится функцией одной переменной: , где . Найдем наибольшее и наименьшее значения этой функции.

При x=0 ; (0,-3) и (0,3)- критические точки.

Вычислим значения функции на концах отрезка

3 . Сравнивая между собой значения получаем,

В точках Aи B.

В точках C и D.

Пример 3. Найти наибольшее и наименьшее значения функции в замкнутой области, заданной неравенством:

Решение . Область представляет собой треугольник, ограниченный осями координат и прямой x+y=1.

1. Находим стационарные точки внутри области:

; ; у = - 1/ 8 ; х = 1/ 8.

Стационарная точка не принадлежит рассматриваемой области, поэтому значение z в ней не вычисляем.

2 .Исследуем функцию на границе. Так как граница состоит из трех участков, описанных тремя разными уравнениями, то исследуем функцию на каждом участке отдельно:

а ) на участке 0A: y=0- уравнение 0A, тогда ; из уравнения видно, что функция возрастает на 0A от 0 до 1. Значит .

б ) на участке 0B: x=0 - уравнение 0B, тогда ; –6y+1=0; - критическая точка.

в ) на прямой x+y = 1: y=1-x, тогда получим функцию

Вычислим значение функции z в точке B(0,1).

3 .Сравнивая числа получаем, что

На прямой AB.

В точке B.

Тесты для самоконтроля знаний.

1 . Экстремум функции - это

а) ее производные первого порядка

б) ее уравнение

в) ее график

г) ее максимум или минимум

2. Экстремум функции нескольких переменных может достигаться:

а) только в точках, лежащих внутри ее области определения, в которых все частные производные первого порядка больше нуля

б) только в точках, лежащих внутри ее области определения, в которых все частные производные первого порядка меньше нуля

в) только в точках, лежащих внутри ее области определения, в которых все частные производные первого порядка не равны нулю

г) только в точках, лежащих внутри ее области определения, в которых все частные производные первого порядка равны нулю

3. Функция, непрерывная в ограниченной замкнутой области, достигает в ней наибольшего и наименьшего значений:

а) в стационарных точках

б) или в стационарных точках, или в точках, лежащих на границе области

в) в точках, лежащих на границе области

г) во всех точках

4. Стационарными точками для функции нескольких переменных называются точки:

а) в которых все частные производные первого порядка не равны нулю

б) в которых все частные производные первого порядка больше нуля

в) в которых все частные производные первого порядка равны нулю

г) в которых все частные производные первого порядка меньше нуля

Функции нескольких переменных

1. Основные определения

Определение 1. Соответствие, которое каждой паре (x; y) значений переменных x и y, принадлежащей некоторому множеству пар D, сопоставляет одно и только одно число zÎR, называется функцией двух переменных, определенной на множестве D со значениями в R. При этом пишут z = f(x;y). D = D(f) – область определения функции f.

2. Частные и полное приращения функции двух переменных

Если в функции z = f(x; y) двух переменных x и y зафиксировать значение одной из них, например y = y 0 , то получим функцию z = f(x; y 0), зависящую от одной переменной х.

Аналогично, если зафиксировать переменную x = x 0 , получим функцию z = f(x 0 ; y) одной переменной у.

Определение 2. Величина D x z = f(x 0 +Dx; y 0) - f(x 0 ; y 0) называется частным приращением функции z = f(x; y) в точке (x 0 ; y 0) по аргументу х.

Определение 3. Величина D y z = f(x 0 ; y 0 +Dy) - f(x 0 ; y 0) называется частным приращением функции z = f(x; y) в точке (x 0 ; y 0) по аргументу y.

Определение 4. Величина Dz = f(x 0 +Dx; y 0 +Dy) - f(x 0 ; y 0) называется полным приращением функции z = f(x; y) в точке (x 0 ; y 0).

3. Частные производные функции двух переменных

Пусть дана функция z = f(x; y) двух независимых переменных x и y. Фиксируя одну из них, например, полагая у = const, приходим к функции одной переменной x. Тогда можно ввести понятие производной полученной функции по x, которую обозначим . Согласно определению производной функции одной переменной имеем:

Определение 5. Предел отношения частного приращения D x z функции z=f(x; y) по переменной x к приращению Dx переменной x при Dx, стремящимся к нулю, называется частной производной функции по x и обозначается ; ;

Аналогично определяется и обозначается частная производная функции z = f(x; y) по переменной y.

Пример 1. Найти частные производные функций:

1. f(x; y) = x 3 + x 2 y 2 + y 3 + 3;

2. z = x y + y x .

Решение

1. Полагая y = const, и считая при этом x независимой переменной, найдем

Аналогично при x = const, получим .

2. При y = const

;

при x = const

Все сказанное можно распространить на функции любого числа переменных.

Пример 2. Найти частные производные функции

u = f(x; y; z) = cos(x 2 + y 2 + z 2).

Решение

Sin(x 2 + y 2 + z 2) × 2x, y = const, z = const;

Sin(x 2 + y 2 + z 2) × 2y, x = const, z = const;

Sin(x 2 + y 2 + z 2) × 2z, x = const, y = const.

Поскольку частные производные от функции нескольких переменных также являются, вообще говоря, функциями нескольких переменных, то для них можно также вычислять частные производные. Эти производные называют частными производными высших порядков .

Например, для функции f(x; y) двух переменных имеются следующие типы производных второго порядка:

- вторая частная производная по x;

и = - смешанные частные производные

- вторая частная производная по у.

4. Полный дифференциал функции двух переменных

Определение 6. Полным дифференциалом функции z=f(x;y) двух переменных x и y называется главная часть полного приращения Dz, линейная относительно приращений аргументов Dx и Dy.

C учетом того, что Dx = dx и Dy = dy полный дифференциал функции z = f(x; y) вычисляется по формуле

Пример 3. Вычислить полный дифференциал функции

z = ln (x 2 + y 2).

Решение . Найдем частные производные и данной функции

После их подстановки в формулу (3.5) получим

dz =

Найти частные производные функций

284. z = x 2 + 2xy + y 2 + 5 285. z = (x + y) 3

286. z = 287. z =

288. z = x 3 y - y 3 x 289. z = 2y

290. z = x y ln(x + y) 291. z = ln

292. z = ln + ln x·y 293. z =

294. z = e y/x – e x/y 295. z = x y + sin

296. z = sin(x 2 y + xy 2) 297. z = y x + arctg

Найти частные производные второго порядка

298. z = x 4 + 4x 2 y 3 + 7xy + 1 299. z = x 2 y

300. z = 4x 3 + 3x 2 y + 3xy 2 – y 3 301. z = xy + sin(x + y)

302. z = sin x cos y 303. z =

304. z = xe y 305. z = x + y +

306. z = x 2y 307. z = ln(x + e xy)

Проверить, что

308. z = 309. z = ln(x - 2y)

310. z = 311. z = x 2 sin

312. z = 313. z = arctg

Найти полный дифференциал функций

314. z = xy 3 - 3x 2 y 2 + 2y 4 +1 315. z = 3x 2 y 5

316. z = sin(x 2 + y 2) 317. z = x y

318. z = e xy 319. z = e x cos y

320. z = e y cos x 321. z = cos + sin

5. Экстремумы функции двух переменных

Основные определения

Определение 1. Точка М(x 0 ; у 0) называется точкой максимума (минимума) функции z = f(x; y), если существует окрестность точки М, такая, что для всех точек (x; y) из этой окрестности выполняется неравенство:

f(x 0 ; y 0) ³ f(x; y), .

Теорема 1 (необходимое условие существования экстремума) . Если дифференцируемая функция z = f(x; y) достигает экстремума в точке М(x 0 ; y 0), то ее частные производные первого порядка в этой точке равны нулю, т.е. ;

Точки, в которых частные производные равны нулю, называются стационарными иликритическими точками.

Теорема 2 (достаточное условие существования экстремума)

Пусть функция z = f(x; y):

а) определена в некоторой окрестности точки (x 0 ; y 0), в которой и ;

б) имеет в этой точке непрерывные частные производные второго порядка

;

Тогда, если D = АС - B 2 > 0, то в точке (x 0 ; y 0) функция z = f(x; y) имеет экстремум, причем, если А < 0 (или С < 0) – максимум, если А > 0 (или С > 0) – минимум. В случае D = АС - В 2 < 0, функция z = f(x; y) экстремума не имеет. Если D = AC - B 2 = 0, то требуется дальнейшее исследование (сомнительный случай).

Пример 1. Найти экстремум функции z = x 2 + xy + y 2 - 3x - 6y.

Решение . Найдем частные производные первого порядка:

Воспользуемся необходимым условием существования экстремума:

Решая систему уравнений, находим координаты x и y стационарных точек: x = 0; y = 3, т. е. М(0; 3).

Вычислим частные производные второго порядка и найдем их значения в точке М.

А = = 2; С = = 2;

Составим дискриминант D = АС - В 2 = 2 × 2 - 1 > 0, A = 2 > 0. Следовательно, в точке М(0; 3) заданная функция имеет минимум. Значение функции в этой точке z min = -9.

Найти экстремумы функций

322. z = x 2 + y 2 + xy - 4x - 5y 323. z = y 3 - x 3 - 3xy

324. z = x 2 - 2xy + 4y 3 325. z = - y 2 - x + 6y

326. z = x y (1 - x - y) 327. z = 2xy - 4x - 2y

328. z = e - x/2 (x + y 2) 329. z = x 3 + 8y 3 - 6xy + 1

330. z = 3x 2 y - x 3 - y 4 331. z = 3x + 6y - x 2 - xy + y 2

Наибольшее и наименьшее значения функции двух переменных

В замкнутой области

Для того, чтобы найти наибольшее и наименьшее значения функции в замкнутой области, надо:

1) найти критические точки, расположенные в данной области, и вычислить значения функции в этих точках;

2) найти критические точки на границе области и вычислить наибольшее и наименьшее значения функций в них;

3) из всех найденных значений выбрать наибольшее и наименьшее.

Пример 2. Найти наибольшее и наименьшее значения функции z = в круге x 2 + y 2 £ 1.

Решение . Найдем координаты критических точек, расположенных внутри рассматриваемой области, для чего вычислим частные производные первого порядка функции z и приравняем их к нулю.

откуда x = 0, y = 0 и, следовательно, М(0; 0) – критическая точка.

Вычислим значение функции z в точке М(0; 0): z(0; 0) = 2.

Найдем критические точки на границе области - окружности, заданной уравнением x 2 + y 2 = 1. Подставляя у 2 = 1 - x 2 в функцию z = z(x; y), получим функцию одной переменной

z = ;

причем xÎ[-1; 1].

Вычислив производную и приравняв ее нулю, получим критические точки на границе области x 1 = 0, x 2 = , x 3 =

Найдем значение функции z(x) = в критических точках и на концах отрезка [-1; 1]: z(0) = ; = ; ; z(-1) = ; z(1) =

Выберем наибольшее и наименьшее среди значений функции z в критических точках, расположенных внутри и на границе круга.

Итак, z наиб. = z(0; 0) = 2

z наим. = z

Условный экстремум

Определение 2. Условным экстремумом функции z = f(x; y) называется экстремум этой функции, достигнутый при условии, что переменные x и y связаны уравнением j(x; y) = 0 (уравнение связи). , y = .

Таким образом, гипотенуза имеет наименьшее значение, если катеты треугольника равны между собой.

Найти наибольшее и наименьшее значения функций:

332. z = x 2 - xy + y 2 - 4x в замкнутой области, ограниченной прямыми x = 0, y = 0, 2x + 3y - 12 = 0.

333. z = xy + x + y в квадрате, ограниченном прямыми x = 1, x = 2, y = 2, y = 3.

334. z = x 2 + 3y 2 + x - y в треугольнике, ограниченном прямыми x = 1, y = 1, x + y = 1.

335. z = sin x + sin y + sin (x + y) в области 0 £ x £ , 0 £ y £ .

336. z = xy в круге x 2 + y 2 £ 1.

337. z = 1 - x 2 - y 2 в круге (x - 1) 2 + (y - 1) 2 £ 1.

338. z = x 2 + y 2 в круге (x - ) 2 + (y - ) 2 £ 9.

339. Найти экстремум функции z = x 2 + y 2 , если x и y связаны уравнением = 1.

340. Из всех треугольников, имеющих периметр Р, найти наибольший по площади.

341. Из всех прямоугольников с заданной площадью S найти такой, периметр которого имеет наименьшее значение.

342. Определить размеры открытого бассейна объемом V, имеющего наименьшую поверхность.

343. Найти размеры прямоугольного параллелепипеда, имеющего при данной полной поверхности S максимальный объем.

344. Определить размеры цилиндра наибольшего объема при условии, что его полная поверхность S = 6p.

* Под понятиями выпуклость и вогнутость графика функции следует понимать выпуклость вверх и вниз соответственно.

Экстремум функции – это свойство местного, локального характера (см. определение). Не следует смешивать максимум (минимум) с наибольшим (наименьшим) значением функции в замкнутой области D .

Определение. Допустим, функция z = f (x, y ) определена и непрерывна в некоторой области D , имеет в этой области конечные частные производные. Тогда в этой области найдутся точки, в которых функция достигает наибольшего и наименьшего значения остальных значений. Эти точки могут лежать внутри области или на ее границе.

Для того чтобы найти наибольшее и наименьшее значения функции в замкнутой области, нужно:

1) Найти стационарные точки, расположенные внутри области, и вычислить значения функции в этих точках.

Замечание. Присоединить к стационарным точкам точки, в которых производные бесконечны или не существуют (если такие имеются).

2) Найти стационарные точки на границе области и вычислить значения функции в этих точках.

3) Найти значения функции в угловых точках – точках пересечения граничных линий.

4) Из всех найденных значений выбрать наибольшее и наименьшее.

Пример 1.22. Найти наибольшее и наименьшее значение функции

z = 2x 2 – xy + + y 2 + 7x в замкнутой области D : –3 x 3, –3 y 3 (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Область исследования D

Решение. 1) Находим стационарные точки

Отсюда у = –1, х = –2, стационарная точка М 0 (–2, –1) D , z (М 0) = –7.

2) Исследуем функцию на границе области, которая состоит из отрезков AB, DC, CB, AD .

а) На прямой AB : у = 3, а функция имеет вид

z = 2x 2 + 3x + 9 + 7x =

= 2x 2 + 10x + 9, x [–3, 3].

Эта функция одной независимой переменной.

Определим стационарные точки данной функции:

следовательно, х = –2,5.

Определяем z при х = –2,5, а также на концах отрезка [-3, 3]:

z (–2,5; –3) = –3,5; z (– 3, –3) = –3; z (3, –3) = 57,

значит = 3,5, а = 57.

б) Рассмотрим отрезок ВС : х = 3.

z = у 2 – 3у + 39; у [–3, 3],

= 2у – 3; 2у – 3 = 0 у = 3/2.

Находим z (3, 3/2) = , z (– 3, 3) = 15, z (3, 3) = 39.

в) На отрезке CD : у = 3, z = 2x 2 + 4x + 9; у [–3, 3],

= –4x + 4 = 0 Þ x = –1; z (–1, 3) = 7, z (– 3, 3) = 15, z (3, 3) = 39;

В июле 2020 года NASA запускает экспедицию на Марс. Космический аппарат доставит на Марс электронный носитель с именами всех зарегистрированных участников экспедиции.

Регистрация участников открыта. Получите свой билет на Марс по этой ссылке .

Если этот пост решил вашу проблему или просто понравился вам, поделитесь ссылкой на него со своими друзьями в социальных сетях.

Один из этих вариантов кода нужно скопировать и вставить в код вашей веб-станицы, желательно между тегами и или же сразу после тега . По первому варианту MathJax подгружается быстрее и меньше тормозит страницу. Зато второй вариант автоматически отслеживает и подгружает свежие версии MathJax. Если вставить первый код, то его нужно будет периодически обновлять. Если вставить второй код, то страницы будут загружаться медленнее, зато вам не нужно будет постоянно следить за обновлениями MathJax.

Подключить MathJax проще всего в Blogger или WordPress: в панели управления сайтом добавьте виджет, предназначенный для вставки стороннего кода JavaScript, скопируйте в него первый или второй вариант кода загрузки, представленного выше, и разместите виджет поближе к началу шаблона (кстати, это вовсе не обязательно, поскольку скрипт MathJax загружается асинхронно). Вот и все. Теперь изучите синтаксис разметки MathML, LaTeX и ASCIIMathML, и вы готовы вставлять математические формулы на веб-страницы своего сайта.

Очередной канун Нового Года... морозная погода и снежинки на оконном стекле... Все это побудило меня вновь написать о... фракталах, и о том, что знает об этом Вольфрам Альфа. По этому поводу есть интересная статья , в которой имеются примеры двумерных фрактальных структур. Здесь же мы рассмотрим более сложные примеры трехмерных фракталов.

Фрактал можно наглядно представить (описать), как геометрическую фигуру или тело (имея ввиду, что и то и другое есть множество, в данном случае, множество точек), детали которой имеют такую же форму, как и сама исходная фигура. То есть, это самоподобная структура, рассматривая детали которой при увеличении, мы будем видеть ту же самую форму, что и без увеличения. Тогда как в случае обычной геометрической фигуры (не фрактала), при увеличении мы увидим детали, которые имеют более простую форму, чем сама исходная фигура. Например, при достаточно большом увеличении часть эллипса выглядит, как отрезок прямой. С фракталами такого не происходит: при любом их увеличении мы снова увидим ту же самую сложную форму, которая с каждым увеличением будет повторяться снова и снова.

Бенуа Мандельброт (Benoit Mandelbrot), основоположник науки о фракталах, в своей статье Фракталы и искусство во имя науки написал: "Фракталы - это геометрические формы, которые в равной степени сложны в своих деталях, как и в своей общей форме. То есть, если часть фрактала будет увеличена до размера целого, она будет выглядеть, как целое, или в точности, или, возможно, с небольшой деформацией".

Теорема 1.5 Пусть в замкнутой области D задана функцияz=z(x,y) , имеющая непрерывные частные производные первого порядка. Граница Г области D является кусочно гладкой (т. е. состоит из кусков "гладких на ощупь" кривых или прямых). Тогда в области D функция z (x,y) достигает своего наибольшего M и наименьшего m значений.

Без доказательства.

Можно предложить следующий план нахождения M и m .
1. Строим чертёж, выделяем все части границы области D и находим все "угловые" точки границы.
2. Находим стационарные точки внутри D .
3. Находим стационарные точки на каждой из границ.
4. Вычисляем во всех стационарных и угловых точках, а затем выбираем наибольшее M и наименьшее m значения.

Пример 1.14 Найти наибольшее M и наименьшее m значения функции z = 4x2-2xy+y2-8x в замкнутой области D , ограниченной: x = 0, y = 0, 4x+3y=12 .

1. Построим область D (рис. 1.5) на плоскости Оху .

Угловые точки: О (0; 0), В (0; 4), А (3; 0) .

Граница Г области D состоит из трёх частей:

2. Найдём стационарные точки внутри области D :

3. Стационарные точки на границах l 1 , l 2 , l 3 :

4. Вычисляем шесть значений:

Примеры

Пример 1.

Данная функция определена при всех значениях переменных x и y , кроме начала координат, где знаменатель обращается в нуль.

Многочлен x 2 +y 2 непрерывен всюду, а значит и непрерывен корень квадратный из непрерывной функции.

Дробь же будет непрерывной всюду, кроме точек, где знаменатель равен нулю. То есть рассматриваемая функция непрерывна на всей координатной плоскости Оху , исключая начало координат.

Пример 2.

Исследовать на непрерывность функцию z=tg (x,y) . Тангенс определен и непрерывен при всех конечных значениях аргумента, кроме значений, равных нечетному числу величины π /2 , т.е. исключая точки, где

При каждом фиксированном "k" уравнение (1.11) определяет гиперболу. Поэтому рассматриваемая функция является непрерывной функцией x и y , исключая точки, лежащие на кривых (1.11).

Пример 3.

Найти частные производные функции u=z -xy , z > 0 .

Пример 4.

Показать, что функция

удовлетворяет тождеству:

– данное равенство справедливо для всех точек М(х;у;z) , кроме точки М 0 (a;b;c) .

Рассмотрим функцию z=f(х,у) двух независимых переменных и установим геометрический смысл частных переменных z" x =f" x (х,у) и z" y =f" y (х,у) .

В этом случае уравнение z=f (х,у) есть уравнение некоторой поверхности (рис.1.3). Проведем плоскость y = const . В сечении этой плоскостью поверхности z=f (х,у) получится некоторая линия l 1 пересечения, вдоль которой изменяются лишь величины х и z .

Частная производная z" x (её геометрический смысл непосредственно следует из известного нам геометрического смысла производной функции одной переменной) численно равна тангенсу угла α наклона, по отношению к оси Ох , касательной L 1 к кривой l 1 , получающейся в сечении поверхности z=f (х,у) плоскостью y = const в точке М(х,у,f(xy)): z" x = tgα .

В сечении же поверхности z=f (х,у) плоскостью х = const получится линия пересечения l 2 , вдоль которой изменяются лишь величины у и z . Тогда частная производная z" y численно равна тангенсу угла β наклона по отношению к оси Оу , касательной L 2 к указанной линии l 2 пересечения в точке М(х,у,f(xy)): z" x = tgβ .

Пример 5.

Какой угол образует с осью Ох касательная к линии:

в точке М(2,4,5) ?

Используем геометрический смысл частной производной по переменной х (при постоянном у ):

Пример 6.

Согласно (1.31):

Пример 7.

Считая, что уравнение

неявно задаёт функцию

найти z" x , z" y .

поэтому согласно (1.37) получаем ответ.

Пример 8.

Исследовать на экстремум:

1. Найдём стационарные точки, решая систему (1.41):

то есть найдены четыре стационарные точки.
2.

по теореме 1.4 в точке – минимум.

Причём

4. Вычисляем шесть значений:

Из полученных шести значений выбираем наибольшее и наименьшее.

Список литературы:

ü Белько И. В., Кузьмич К. К. Высшая математика для экономистов. I семестр: Экспресс-курс. – М.: Новое знание, 2002. – 140 с.

ü Гусак А. А.. Математический анализ и дифференциальные уравне-ния.– Мн.: ТетраСистемс, 1998. – 416 с.

ü Гусак А. А.. Высшая математика. Учебное пособие для студентов вузов в 2-х томах. – Мн., 1998. – 544 с. (1 т.), 448 с. (2 т.).

ü Кремер Н. Ш., Путко Б. А., Тришин И. М., Фридман М. Н. Высшая математика для экономистов: Учебник для вузов / Под ред. проф. Н. Ш. Кремера.– М.: ЮНИТИ, 2002. – 471 с.

ü Яблонский А. И., Кузнецов А. В., Шилкина Е. И. и др. Высшая математика. Общий курс: Учебник / Под общ. ред. С. А. Самаля.– Мн.: Выш. шк., 2000. – 351 с.