Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Matematika_Zaytsev_ch2

.pdf
Скачиваний:
54
Добавлен:
14.02.2015
Размер:
2.17 Mб
Скачать

В частности, если α = 0,

β =

π

, (т. е. s =

 

), то

z

=

z

; если же α =

π

,

i

2

s

x

2

 

 

 

z

 

 

z

 

 

 

 

 

 

β = 0 (т.е. s =

 

), то

=

. Таким образом, частные производные по x и y

j

s

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

являются частным случаем производной по направлению.

Формула (16) говорит о том, что для дифференцируемой функции двух переменных знание частных производных (т. е. производных по двум взаимно перпендикулярным направлениям) позволяет написать выражение производной по любому направлению.

Замечания.

1.Если направление задаётся вектором a ={ ax ,ay } , то cosα = aarx , cos β = aary .

2. При замене направления на противоположное производная по направлению меняет знак.

Пример 16. Вычислить производную функции z = x3y 5xy2 + 1 в точке

M(1; 1) по направлению вектора MN , где N - точка с координатами (0; 2).

Имеем

MN

= { 0 1; 2 1 } = { 1; 1 } ,

MN

 

= ( 1 )2 +( 1 )2

=

2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

данном направлении s =

 

MN

;

Единичный

вектор

в

 

 

 

 

=

 

 

, т. е.

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

MN

 

 

 

 

 

cosα = −

1

,

cos β =

1

. Найдём частные производные функции z в точке M:

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zx ( x, y ) = 3x2 y 5 y2 zx ( M ) = −2, zy ( x, y ) = x3 10 xy zx ( M ) = −9.

 

z

 

 

 

 

1

 

 

1

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По формуле (16) получим

s

 

 

= −2

 

 

9

 

= −

 

.

 

 

2

2

2

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При изучении поведения функции в данной точке бывает важно найти направление, вдоль которого скорость изменения функции наибольшая в этой точке. Эта задача решается очень просто с помощью вектора, называемого градиентом.

Вектор с координатами zx , zy в точке M(x, y) называется градиентом функции

z = f(x, y) в этой точке и обозначается grad f(M) или grad z.

 

Итак, по определению,

 

grad z ={zx , zy } = zx

 

+ zy

 

.

(17)

i

j

Рассмотрим основные свойства градиента.

 

1. Проекция градиента функции z = f(x, y) на направление s

равна производной

функции по этому направлению, т. е. ПРs grad z =

z

.

 

 

 

 

 

 

s

 

187

 

 

 

 

 

 

 

Действительно, записывая z

с помощью скалярного произведения, имеем для

 

s

 

 

 

 

 

 

любого направления s :

 

 

 

 

 

 

z = {zx , zy } {cosα , cos β

} = grad z

s = grad z cosϕ = ПРs grad z ,

s

 

 

 

 

 

 

 

где ϕ - угол между векторами s и grad z .

 

 

 

 

 

2. Градиент функции z в точке M указывает направление, вдоль которого про-

изводная z

максимальна (направление наибольшей скорости изменения функ-

s

M

 

 

 

 

 

 

ции в точке М). При этом модуль градиента равен этой наибольшей скорости

изменения функции в данной точке.

 

z имеет наибольшую вели-

Действительно, из первого свойства следует, что

 

 

 

 

s

 

 

 

чину при cosϕ = 1 (при ϕ = 0), т. е. когда направление вектора s

совпадает с на-

правлением grad z, при этом z

= grad z .

 

 

 

 

 

 

s

 

 

 

 

 

 

Y

 

 

3. Градиент функции z = f(x, y)

grad z(M0)

 

в точке M0(x0, y0) направлен по

 

f(x, y)=c

нормали к линии уровня этой функ-

 

M0

 

ции, проходящей

через точку M0

 

 

(рисунок 6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

Действительно,

угловой

коэф-

N

 

фициент k1 касательной T к линии

 

 

 

 

 

уровня f(x, y)=c равен производной

 

 

 

dy

 

 

 

 

0

Рисунок 6

X

dx в точке M0 (здесь c = f(x0, y0)).

 

 

Согласно правилу

дифференциро-

k1 = − fx( M0 ) . Угловой коэффициент k2

вания

неявной

функции

имеем

прямой N, параллельной градиенту,

f y( M0 )

 

 

 

 

 

 

равен отношению второй координаты вектора к первой, т. е. k2 =

 

f y( M0 )

. Таким

 

 

 

 

 

 

fx( M0 )

 

образом, k2

= − 1 (условие перпендикулярности двух прямых). Значит, градиент

 

k1

 

 

 

 

 

 

имеет направление, перпендикулярное к касательной, т. е. градиент направлен по

нормали к линии уровня.

 

 

 

 

 

 

188

Аналогично определяется производная функции трёх переменных u = f(x, y, z)

по направлению вектора s = {cosα, cos β , cosγ } , выводится формула

 

 

u

= ux cosα + uy cos β + uzcosγ ,

(16/)

 

 

 

s

 

вводится понятие градиента

 

 

 

grad u ={ux ,uy ,uz′}

(17/)

и исследуются его свойства.

Пример 17. Найти grad u и grad u в точке M(3; 2; 1), если u = 4x2y2+z2.

Вычислим частные производные и их значения в точке M:

ux = −2x, uy = −2 y, uz′ = 2z ux ( M ) = −6 , uy ( M ) = −4, uz( M ) = 2 . Поэтому, grad u(M) = {6; 4; 2} = 2{3; 2; 1},

grad u( M ) = 2 ( 3 )2 + ( 2 )2 + 12 = 2 14 .

Понятия производной по направлению и градиента функции играют важную роль во многих приложениях.

3.3 Касательная плоскость и нормаль к поверхности

Рассмотрим вначале пространственную линию L, координаты текущей точки M(x, y, z) которой можно задать как функции от некоторого параметра t:

x = x(t), y = y(t), z = z(t).

Возьмём на этой линии какую-либо точку M0(x0, y0, z0), определяемую значением параметра t = t0, т. е. x0 = x(t0), y0 = y(t0), z0 = z(t0). Придадим t0 приращение

t, тогда значению параметра t0 + t будет соответствовать другая точка M1(x0+x, y0+y, z0+z) на линии L. Уравнения секущей M0M1 будут иметь вид:

x x0

=

y y0

=

z z0

или

x x0

=

y y0

=

z z0

,

x

y

z

x t

y t

z t

 

 

 

 

 

 

где x, y, z - координаты текущей точки секущей.

Если эти уравнения в пределе при t0 сохраняют определённый смысл, то этим будет установлено существование предельного положения секущей, т. е. касательной. Итак, уравнения

x x0

 

=

y y0

 

=

z z0

 

(18)

x( t0 )

y( t0 )

z( t0 )

 

 

 

представляют прямую, являющуюся касательной к пространственной линии

L: x = x(t), y = y(t), z = z(t) в точке M0(x0, y0, z0) при условии, что x(t0), y(t0), z(t0) одновременно не обращаются в нуль.

Отметим, что вектор τ ( M0 ) ={x( t0 ), y( t0 ),z( t0 )} параллелен касательной,

его называют касательным вектором к линии L в точке M0 (при значении параметра t0).

189

( M0 ) есть ка-

 

 

r

P

Рассмотрим теперь поверхность Σ, зада-

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

ваемую уравнением z = f(x, y) (явное зада-

 

 

 

 

 

 

 

τ

 

Σ

ние поверхности) или в общем случае урав-

M0

 

нением F(x, y, z) = 0.

L

 

 

Пусть M0(x0, y0, z0) - какая-либо точка

 

 

 

 

 

поверхности Σ (рисунок 7). Проведём через

 

 

 

 

 

Nточку M0 по поверхности Σ произвольную линию L и в названной точке построим к

этой линии касательную. Таких линий (и Рисунок 7 касательных к ним) существует бесконечно

много.

Если все такие касательные лежат в одной плоскости P, то эту плоскость называют касательной плоскостью к поверхности Σ в точке M0 (точка M0 - точка касания).

Так как линия L Σ, то F(x(t), y(t), z(t)) 0 (*), где x(t), y(t), z(t) - парамет-

рические уравнения линии L. В частности, F(M0) = F(x(t0), y(t0), z(t0)) = 0, пото-

му что M0 L, M0 Σ.

Применяя правило дифференцирования сложной функции F, зависящей через промежуточные переменные x, y, z от независимой переменной t и учитывая тождество (*), получим: dFdt = Fxx′ + Fyy′ + Fzz′ = 0 . При t = t0 имеем

Fx( M0 ) x( t0 ) + Fy( M0 ) y( t0 ) + Fz( M0 ) z( t0 ) = 0 .

Полученное равенство можно записать в виде равенства нулю скалярного произведения вектора grad F( M0 ) ={Fx( M0 ),Fy( M0 ),Fz( M0 )} и касательного

вектора τ ( M0 ) ={x( t0 ), y( t0 ),z( t0 )} к линии L в точке M0: grad F ( M0 ) τ ( M0 ) = 0 .

Вектор grad F(M0) есть постоянный вектор в точке M0, а вектор τ

сательный вектор к линии L в точке M0 и поэтому зависит от выбора L, т. е. является переменным вектором.

Так как скалярное произведение этих векторов равно нулю, то эти векторы пер-

пендикулярны

при любом выборе L,

а

это

означает, что

вектор

n( M0

) = grad

F( M0 ) перпендикулярен

ко

всем

касательным

векторам

τ

( M0

) в точке M0, т. е. перпендикулярен касательной плоскости P к поверхности

Σ в точке M0 (вектор n( M0 ) - вектор нормали).

Итак, касательная плоскость P проходит через точку M0(x0, y0, z0) и перпендикулярна вектору n(r M0 ) ={Fx( M0 ), Fy( M0 ), Fz( M0 )}, поэтому её уравнение, как следует из аналитической геометрии, имеет вид:

190

P : Fx( M0 )( x x0 ) + Fy( M0 )( y y0 ) + Fz( M0 )( z z0 ) = 0 . (19)

Назовём нормалью к поверхности Σ в точке M0 прямую N, проходящую через точку M0 и перпендикулярную к касательной плоскости P в этой точке.

Так как нормаль проходит через точку M0(x0, y0, z0), а вектор n( M0 ) её направляющий вектор, то её канонические уравнения имеют вид:

 

x x

0

 

 

y y

 

 

z z

0

 

 

 

N :

 

 

 

=

 

0

 

=

 

 

.

(20)

( M0

)

( M0

)

 

 

Fx

 

Fy

 

Fz ( M0 )

 

 

Замечания.

1. Если поверхность Σ задана явным уравнением z = f(x, y), то уравнение каса-

тельной плоскости в точке M0(x0, y0, z0) получает вид:

 

z z0 = fx( M0 )( x x0 ) + f y( M0 )( y y0 ) .

(19/)

Действительно, записав уравнение z = f(x, y) в виде f(x, y) – z = 0, имеем

F( x, y,z ) = f ( x, y ) z; Fx′ = fx, Fy′ = fy, Fz′= −1 и, используя уравнение (19),

получим уравнение (19/).

Уравнения нормали (20) примут вид:

x x0

 

=

y y0

 

=

z z0

 

/

 

 

 

 

 

.

(20 )

fx( M0

)

f y( M0

)

1

2. Градиент функции u = f(x, y, z) в точке M0(x0, y0, z0) направлен по нормали к поверхности уровня этой функции, проходящей через точку M0.

Действительно, поверхность уровня, на которой лежит точка M0, имеет уравне-

ние f(x, y, z) = c, где c = f(M0) или

f(x, y, z) c = 0. Как было выше получено,

вектор n( M

 

}

= grad f ( M0 ) есть вектор

0 ) ={( f c )x

, ( f c )y

, ( f c )z

 

 

 

 

 

 

M0

нормали к поверхности в точке M0, что и доказывает утверждение.

Пример 18. Найти уравнение касательной плоскости и нормали к эллиптическому параболоиду z = 2x2+y2 в точке M0(1; 1; 3).

Так как поверхность задана явно относительно z, то воспользуемся формула-

ми (19/)

и (20/). Здесь x0

= 1, y0= 1, z0 = 3. Имеем fx( M0

) = 4x

= 4 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M0

fy( M0

) = 2 y

= −2 . Итак, уравнение касательной плоскости P:

 

 

 

 

M0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z 3 = 4(x 1) + (2)(y + 1)

или 4x 2y z 3 = 0.

Уравнение нормали N:

 

x 1

=

y + 1

=

z 3

.

 

 

4

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

191

3.4 Экстремум функции нескольких переменных

Понятие экстремума функции нескольких переменных во многом аналогично понятию экстремума функции одной переменной, особенно если при этом использовать термины «функция точки», «окрестность точки». В основном рассматривается случай, когда точка M – точка на плоскости OXY, т. е. M(x, y), или в пространстве OXYZ, тогда M(x, y, z).

Дадим определение. Говорят, что функция u = f(M) в точке M0 имеет локальный максимум (минимум), если в некоторой окрестности U( M0 ) этой точки зна-

чение f(M0) не меньше (не больше) значения функции в любой другой точке этой окрестности, т. е.

f(M0) f(M) ( f(M0) f(M) ) M U( M0 ) .

Локальный максимум и минимум объединяются общим названием экстремум. Точку M0 называют в этом случае точкой экстремума.

В своей области определения функция может совсем не иметь экстремума, а может иметь несколько максимумов, несколько минимумов. При этом максимумы могут оказаться меньше некоторых из её минимумов. Не следует путать максимумы и минимумы функции с её наибольшим и наименьшим значениями.

Из определения следует, что если функция u = f(M) имеет экстремум в точке M0, то приращение u(M0) = f(M) – f(M0) этой функции в точке M0 удовлетворяет в окрестности U( M0 ) одному из условий: u(M0) 0 (если M0 – точка мак-

симума) или u(M0) 0 (если M0 – точка минимума). Обратное утверждение тоже верно: если в некоторой окрестности точки M0 выполняется одно из этих неравенств, то функция имеет экстремум в этой точке.

Выясним необходимые и достаточные условия того, чтобы точка M0 являлась точкой экстремума функции u = f(M).

Теорема 8 (необходимое условие экстремума).

Пусть функция u = f(M) имеет экстремум в точке M0 и дифференцируема в этой точке. Тогда все частные производные первого порядка в точке M0 обращаются в нуль.

Доказательство проведем для случая максимума в точке M0 и ограничимся случаем функции двух переменных u = f(M) = f(x, y). Тогда, по определению, существует окрестность точки M0(x0, y0), для всех точек M(x, y) которой выполняется условие f(x, y) f(x0, y0). В частности, f(x, y0) f(x0, y0). Это значит, что функция одной переменной f(x, y0), дифференцируемая при x = x0, имеет макси-

мум при x = x0 и, следовательно, выполняется необходимое условие экстремума функции одной переменной:

df ( x , y0 )

 

= 0

f

 

=

f

 

 

= 0 .

 

 

dx

 

x=x0

x

xy==xy0

x

 

M0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

192

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично, рассматривая функцию f(x0, y), получим

f

 

=0. Случай мини-

 

 

y

 

M0

мума функции в точке M0 аналогичен.

 

 

 

Замечания.

1. Необходимому условию экстремума в точке M0 дифференцируемой функции u = f(M) можно придать и другие, эквивалентные, формулировки:

du(M0) = 0 grad u(M0) = 0

u

 

= 0 s .

 

 

s

 

M0

Рекомендуется читателю самостоятельно убедиться в эквивалентности приведенных формулировок необходимого условия экстремума.

2. Необходимое условие экстремума не является достаточным. Например, частные производные функции u = x2 – y2 равны нулю в точке O(0; 0), поэтому необходимое условие экстремума в этой точке выполнено. Однако данная функция не имеет экстремума в указанной точке, так как в любой окрестности точки O найдутся как положительные (например, при y = 0), так и отрицательные значения u (например, при x = 0), т. е. значения большие и меньшие, чем нулевое значение u в точке O.

Итак, точками экстремума дифференцируемой функции могут быть только те точки, в которых все частные производные первого порядка обращаются в нуль (критические точки функции).

Ясно, что если дифференцируемая функция не имеет критических точек, то она не имеет и точек экстремума.

Установим теперь достаточное условие экстремума (ограничимся только случаем функции двух переменных).

Теорема 9 (достаточное условие экстремума).

Пусть в критической точке M0(x0, y0) и некоторой её окрестности функция z = f(x, y) имеет непрерывные частные производные второго порядка. Тогда точка M0 является точкой экстремума данной функции, если d2f(M0) знакопостоянен

для любых x и y и обращается в нуль только при x = y = 0. При этом точка M0 точка максимума, если d2f(M0) < 0; M0 точка минимума, если d2f(M0) > 0.

Доказательство основано на применении формулы Тейлора к данной функции

в точке M0 при n = 2:

1

 

f ( M0 ) + o(

 

 

 

2 ) .

f ( M0 ) = df ( M0 ) +

d 2

 

M0 M

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Так как точка M0 – критическая точка, то df(M0) = 0. Итак, приращение функции в точке M0 представлено в виде суммы двух б. м. при MM0 (или x0,

y0): первое слагаемое 21 d 2 f ( M0 ) имеет второй порядок малости, а второе

193

слагаемое o( M0 M 2 ) – больший порядок, чем два, по сравнению с величиной

M0 M . Поэтому в достаточно малой окрестности U( M0 ) точки M0 (при доста-

точно малых x и y) если дифференциал второго порядка d2f(M0) знакопостоянен, то и приращение f(M0) будет одного знака, а это означает, что точка M0 – точка экстремума для функции f(M). При этом если Μ U( M0 ) d2f(M0) > 0,

то f(M0) > 0 Μ U( M0 ) , поэтому M0 – точка минимума; если Μ U( M0 )

d2f(M0) < 0, то f(M0) < 0 Μ U( M0 ) , поэтому M0 – точка максимума.

 

 

 

 

 

Пример 19.

Исследовать на экстремум функцию f(x, y) = x2 + y2 – 6x.

 

 

 

 

 

Имеем fx′ = 2x 6 ,

f y′ = 2 y . Определим критические точки функции,

для

этого решим систему:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

′ = 2 x 6 = 0

 

x

= 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

,

M0(3; 0) – критическая точка.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

f y′ = 2 y = 0

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найдем второй дифференциал функции f в точке M0:

 

 

 

 

 

 

2

 

′′

 

2

′′

 

 

 

 

 

′′

2

2

2

 

d

 

f ( M0

) = fxx

( M0 )( x )

+2 fxy

( M0 )xy + fyy ( M0 )(y )

=2(x ) +2(

y )

 

=

 

 

 

= 2[(x)2 + (y)2] > 0

x, y, кроме случая x = y = 0.

 

 

 

 

 

Итак, критическая точка M(3; 0) является точкой минимума, а значение функ-

ции в этой точке f(M0) = f(3; 0) = –9.

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим удобный для решения задач признак наличия или отсутствия экстремума в критической точке, являющийся признаком знакопостоянства и знакопеременности второго дифференциала функции.

Теорема 10 (признак Сильвестра).

Пусть в критической точке M0(x0, y0) и некоторой её окрестности функция z = f(x, y) имеет непрерывные частные производные второго порядка. Положим

D =

A B

= A C B

2

′′

( M0

),

′′

( M0

′′

( M0

) .

 

 

B C

 

, где A = fxx

B = fxy

), C = f yy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда:

1)если D > 0, то в точке M0 функция f(M) имеем экстремум (максимум, если A < 0, минимум, если A > 0);

2)если D < 0, то в точке M0 функция f(M) не имеет экстремума.

Доказательство. Запишем второй дифференциал функции в точке M0:

d2f(M0) = A(x)2 + 2Bxy + C(y)2. (*)

Здесь хотя бы одно из приращений x и y не равно нулю (пусть y 0). Тогда выражение (*) можно представить в виде:

2

 

2

 

2

 

 

x

d

f(M0) = (y)

 

(Ak

 

+ 2Bk + C), где

k =

 

.

 

 

y

 

 

 

 

 

194

 

 

 

Знак второго дифференциала d2f(M0) равен знаку выражения Ak2 + 2Bk + C. Условие знакопостоянства квадратного трехчлена Ak2 + 2Bk + C: дискриминант B2– AC < 0 D > 0. А это и есть достаточное условие экстремума функции в точке M0 (на основании теоремы 9).

При этом квадратный трехчлен будет иметь только отрицательные значения (а, значит, и второй дифференциал), если A < 0. По теореме 9 точка M0 будет точкой максимума. Случай A > 0 аналогичен.

При D < 0 нарушается условие знакопостоянства второго дифференциала в точке M0 и экстремума в этой точке не будет. Принимаем этот факт без доказательства.

Замечание. Если D = 0, то функция f(x, y) в критической точке M0 может иметь экстремум, но может и не иметь его. Это подтверждается, например, рассмотрением функций f(x, y) = x4 + y4 и f(x, y) = x4 – y4 в окрестности точки O(0;0). Советуем читателю самостоятельно убедиться, что для первой функции точка O – точка минимума, а вторая функция в точке O не имеет экстремума, хотя в обоих случаях D = 0.

Пример 20. Исследовать на экстремум функцию z = −

 

2

x3

+ 2xy y2 1 .

3

 

 

 

 

 

 

 

 

Находим частные производные zx = −2 x2 + 2 y, zy

 

= 2x 2 y . Приравнивая

их нулю, составим систему и решим ее:

 

 

 

 

 

 

 

 

2x2 + 2 y = 0

y = x2

x = 0

 

 

x = 1

.

 

2 x 2 y = 0

 

 

и

= 1

 

y = x

y = 0

 

 

y

 

Получили две критические точки M1(0; 0) и M2(1; 1). Вычислим частные про-

′′

= −4 x,

′′

= 2,

′′

= −2 . Так как

изводные второго порядка: zxx

zxy

zyy

A1 = z′′xx ( M1 ) =0, B1 = z′′xy ( M1 ) =2, C1 = z′′yy ( M1 ) =−2, D1 = A1C1 B12 =−4 <0 ,

то в точке M1 экстремума нет. В точке M2:

A2 = z′′xx ( M2 ) = −4, B2 = B1 = 2, C2 = C1 = −2, D2 = A2C2 B22 = 4 > 0 .

Точка M2 – точка максимума, так как D2 > 0 и A2 < 0. Значение максимума f ( M2 ) = − 23 .

3.5 Наименьшее и наибольшее значения функции

Пусть на плоскости OXY дана замкнутая область G с границей L. Пусть внутри области G и на границе L задана дифференцируемая функция z = f(x, y) и требуется найти наименьшее m и наибольшее M значение функции z в этой замкнутой области G.

Существование таких значений следует из непрерывности функции z в замкнутой области.

195

Если функция z не имеет внутри области G критических точек, то значения m и M принимаются функцией на границе L области G.

В общем случае для нахождения наименьшего и наибольшего значений функции f(x, y) в замкнутой области G нужно:

1)найти все её критические точки внутри области G;

2)вычислить значения функции в этих точках;

3)найти наименьшее и наибольшее значения функции на границе L области G;

4)из всех полученных таким образом значений выбрать наименьшее и наибольшее.

Y

2 A

x=0

G D x+y=2

13

M3

 

B

013 y=0 2 X

Рисунок 8

Пример 21. Найти наибольшее и наименьшее значения функции

f(x, y) = xy(1 – x – y) в замкнутой об-

ласти G, ограниченной линиями x = 0, x + y = 2, y = 0 (рисунок 8).

Ищем критические точки функции: fx′ = y 2xy y2 , f y′ = x x2 2 xy .

Решаем систему:

fx′ = y( 1 2x y ) = 0f y′ = x( 1 2 y x ) = 0 .

Критические точки: O(0; 0), M1(0; 1), M2(1; 0),

1

 

1

 

M3

 

;

 

.

3

3

 

 

 

 

Только одна критическая точка M3 внутри области G. Вычислим f ( M3 )= 271 .

Исследуем функцию на границе области:

На участке OB имеем y = 0 z 0. На участке ОА имеем x = 0 z 0.

На участке АB имеем y = 2 – x, x [0; 2] z = x(2 – x)(1 – x – 2 + x) =

= x(x –2), x [0; 2]. Получили функцию z одной переменной x на промежутке [0; 2]. Ее наименьшее и наибольшее значение достигается либо при x = 0, либо при x = 2, либо во внутренней критической точке:

dxdz = ( x2 2 x )′ = 2 x 2 dxdz = 0 при x = 1.

Таким образом, нужно вычислить значения функции z в точках O(0; 0), A(0; 2), B(2; 0), D(1; 1): z(O)=0, z(A)=0, z(B)=0, z(D)= –1.

Сравнивая найденные значения, приходим к выводу, что наименьшее значение функция принимает на границе области в точке D(1; 1), и оно равно (–1); наи-

большее значение функция принимает внутри области в точке M3 ( 1 3 ; 1 3) , и

оно равно f ( M3 ) = 271 .

196

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]