11. Экстремум функций двух переменных

-необходимое и достаточное условие экстремума

Локальный экстремум функций (x_o, y_o, z_o) и её окрестности вблизи точки

Локальный минимум <=> f(x_o, y_o) < f(x, y) (+)

Локальный минимум, если в окрестности выполняется следующее условие (+)

Локальный максимум если в окрестности этой точки выполняется f (x_o, y_o) > f(x, y)

Стационарная точка, эта точка в которой частные производные равны 0

f(x, y) – точка, в которой f’x|(x_o, y_o) = 0 f’y |(x_o, y_o) = 0

Теорема: необходимое условие экстремума функции 2-ух переменных

Дано: f(x) имеет экстремум в точке M_o => f’x = 0 , f’y = 0 (частные производные = 0)

Z=xy f’= dz/dx = y |M_o(00) =0 f’y= dz/dy = x |M_o (00) = 0

Точка называется критической, если в этой точке производные 1-ого порядка = 0 или не существуют

Критические точки – это точки подозрительные на экстремум, он может там быть, а может и не быть.

Теорема достаточного условия экстремума двух переменных

Пусть есть непрерывные производные до 2-ого порядка включительно

12. Условный экстремум

- нахождение условия экстремума методом Лагранжа

Метод множителей Лагранжа, метод нахождения условного экстремума функции  , где  , относительно   ограничений  , где   меняется от единицы до  .

Описание метода

• Составим функцию Лагранжа в виде линейной комбинации функции   и функций  , взятых с коэффициентами, называемыми множителями Лагранжа —  :

где  .

• Составим систему из   уравнений, приравняв к нулю частные производные функции Лагранжа   по   и  .

• Если полученная система имеет решение относительно параметров   и  , тогда точка   может быть условным экстремумом, то есть решением исходной задачи. Заметим, что это условие носит необходимый, но не достаточный характер.

Пусть требуется найти экстремум некоторой функции двух переменных   при условии, задаваемом уравнением  . Мы будем считать, что все функции непрерывно дифференцируемы, и данное уравнение задает гладкую кривую S на плоскости  . Тогда задача сводится к нахождению экстремума функции f на кривой S. Будем также считать, что   не проходит через точки, в которых градиент f обращается в 0.

Нарисуем на плоскости   линии уровня функции f (то есть кривые  ). Из геометрических соображений видно, что экстремумом функции f на кривой S могут быть только точки, в которых касательные к S и соответствующей линии уровня совпадают. Действительно, если кривая S пересекает линию уровня f в точке   трансверсально (то есть под некоторым ненулевым углом), то двигаясь по кривой S из точки   мы можем попасть как на линии уровня, соответствующие большему значению f, так и меньшему. Следовательно, такая точка не может быть точкой экстремума.

Тем самым, необходимым условием экстремума в нашем случае будет совпадение касательных. Чтобы записать его в аналитической форме, заметим, что оно эквивалентно параллельности градиентов функций f и   в данной точке, поскольку вектор градиента перпендикулярен касательной к линии уровня. Это условие выражается в следующей форме:

где   — некоторое число, отличное от нуля, и являющееся множителем Лагранжа.

Рассмотрим теперь функцию Лагранжа , зависящую от   и  :

Необходимым условием ее экстремума является равенство нулю градиента  . В соответствии с правилами дифференцирования, оно записывается в виде

Мы получили систему, первые два уравнения которой эквивалентны необходимому условию локального экстремума, а третье — уравнению  . Из нее можно найти  . При этом  , поскольку в противном случае градиент функции f обращается в нуль в точке  , что противоречит нашим предположениям. Следует заметить, что найденные таким образом точки   могут и не являться искомыми точками условного экстремума — рассмотренное условие носит необходимый, но не достаточный характер. Нахождение условного экстремума с помощью вспомогательной функции L и составляет основу метода множителей Лагранжа, примененного здесь для простейшего случая двух переменных. Оказывается, вышеприведенные рассуждения обобщаются на случай произвольного числа переменных и уравнений, задающих условия.

На основе метода множителей Лагранжа можно доказать и некоторые достаточные условия для условного экстремума, требующие анализа вторых производных функции Лагранжа.

13. Производная по направлению

производная по направлению — это обобщение понятия производной на случай функции нескольких переменных. Производная по направлению показывает, насколько быстро функция изменяется при движении вдоль заданного направления.

14. Градиент функции

- определение и пример получения

15. Двойной интеграл по прямоугольной области, двойной интеграл по криволинейной области

Пусть область интегрирования R представляет собой прямоугольник  . Тогда двойной интеграл в такой области выражается через повторный интеграл в следующем виде:

В данном случае область интегрирования R относится одновременно к типу I и II, так что у нас есть возможность выбирать, по какой переменной (x или y) начинать интегрировать функцию f (x,y). Обычно удобнее начинать с более простого интеграла.  В частном случае, когда подынтегральная функция  f (x,y) "расщепляется" на произведение f (x)g(y), двойной интеграл равен произведению двух определенных интегралов:

Вычислить двойной интеграл   в области  .

Решение.

Как видно, подынтегральная функция  f (x,y) представляет собой произведение f (x)g(y). Следовательно, интеграл равен

      

Пример Вычислить двойной интеграл   в области  .

Решение.

Как видно, подынтегральная функция  f (x,y) представляет собой произведение f (x)g(y). Следовательно, интеграл равен