泰勒公式与极值问题.docx
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泰勒公式与极值问题
§4泰勒公式与极值问题
教学计划:
6课时.
教学目的:
让学生掌握多元函数高阶偏导数的求法;二元函数的中值定理和泰勒公式;二元函数取极值的必要和充分条件.
教学重点:
高阶偏导数、泰勒公式和极值的判定条件.
教学难点:
复合函数高阶偏导数的求法;二元函数的泰勒公式.教学方法:
讲授法.
教学步骤:
一高阶偏导数
由于z=f(x,y)的偏导函数fx(x,y),fy(x,y)仍然是自变量x与y的函数,如果它们关于X与y的偏导数也存在,四种情形:
它的一阶偏导数为
y(x4+4x2y2-y4)2十
;——r2——,x+yHO,
fx(x,y)=*
(X2+y22
0,x2+y2=0,
jxt/TxJ;y4)x2+y2H0,
f^x,y)=((X2+y叮
I0,x2+y2=0,
进而求f在(0,0)处关于X和y的两个不同顺序的混合偏导数,得
「I-fx(0,Ay)-fx(0,0)-Ay
fxyQoA怛=归石一1
fy2x,0)—fy(0,0)Ax4
fyxOO)%瓦羽矿1•
由此看到,这里的f(X,y)在原点处的两个二阶混合偏导数与求导顺序有关,那么,在什么
条件下混合偏导数与求导顺序无关呢?
为此,我们按定义先把fxy(x0,y0与fyx(x0,y0康示
成极限形式.由于
Ax
fx(x,y)=觀f(x+&,y)-f(x,y)
因此有
…,fx(Xo,yo+iyfx(Xo,yo)
fxy(Xo,yoA蚂
..1「|.f(xo+yo+也y)-f(xo,yo+Ay)
=lim——ilim一
S纫pSix
||mf*+心x,yo)—f(Xo,yo)l盘mOZ」
f(Xo中卫X,yo+也y)—f(Xo,yo+Ay)—f(Xo+Ax,yo)+f(Xo,yo)
=limlim.
(1)
A-o^mgiy
类似地有
fyx(Xo,yo)
=|lm|lmf(xo+虫X,yo+也y)—f(Xo+也x,yo)—f(xo,yo+也y)+f(xo,yo)-^-oAmoAxAy.
为使fxy(Xo,yo)=fyx(Xo,yo成立,必须使
(1),
(2)这两个累次极限相等,即以交换累次极限的极限次序.下述定理给出了使极限
(1),
(2)相等的一个充分条件.
定理17.7若fxy.(x,y和fyx.(x,y)都在点连续,则
fxy(Xo,yo)=fyx(Xo,yo)(3)
令
Fgx,Ay)=f(xoyo+也y)—f(x0+也x』。
)—
f(xo,y0+Ay)+f(xo’yo),
W(x)=f(x,yo+iy)-f(x,yo)
于是有
F(Ax,Ay)沁(xo+Ax)—®(xo).(4)
由于函数
f存在关于x的偏导数,所以函数W可导。
应用一元函数的中值定理,有
w(xo+ix)—®(xo)=Q(x+日Hxpx
=〔fx(Xo+6Ax,yo中心y)—fx(Xo+qix,yo必x.(oc1)
又由fx存在关于y的偏导数,故对以y为自变量的函数fx(Xo+日Qx,y)应用一元函数中值定理,又使上式化为
申(Xo+Ax)-®(xo)=fxy(XopAx,yo+日2心沖x®
(OW,日2<1).
由(4测有
f3x,Ay)=fxy(Xo+4也X,yo+日2也yPxAy.
如果令
则有
(OZd<1).屮(y)=f(xo+Ax,y)-f(Xo,y),
Fpxdy)=®(yo+也y)-屮(yo).
用前面相同的方法,又可得到
F3x3y)=fyx(xo+日3也X,yo+日4%)也X与
(0<83,日4<1)
(6)
当也X,Ay不为零时,由(5),(6)两式得到
fxy(Xo+日1.心x,yo+日2心y)AxAy=fyx(x^0^x,y^e^y^^y
(0<日1,日2月3月4Vl)
由定理假设fxy(x,y与fyx(x,y在点(xo,yo)连续,故当Axt0,AyT0时,
限都存在而且相等,这就得到所要证明的(3)式.
(7)
(7)式两边极
这个定理的结论对n元函数的混合偏导数也成立。
如三元函数U=f(X,y,z),若下述
六个三阶混合偏导数
fxyz(x,y,z),fyzx(x,*z),fzxy(x,y,z),
fxzy(x,y,z),fyxz(x,y,z),fzyx(x,y,z)
在某一点都连续,则在这一点六个混合偏导数都相等;同样,若二元函数z=f(x,y)在点
(x,y)存在直到n阶的连续混合偏导数,则在这一点m(Wn)阶混合偏导数都与顺序无关.
今后除特别指出外,都假设相应阶数的混合偏导数连续,从而混合偏导数与求导顺序
无关.
下面讨论复合函数的高阶偏导数.设z是通过中间变量x,y而成为s,t的函数,即
Z=f(x,y)
其中X=w(s,t),y=屮(s,t),若函数f,巴屮都具有连续的二阶偏导数,则作为复合函数的
z对s,t同样存在二阶连续偏导数。
具体计算如下:
dz
cs
cz
盘
dzexdzcy
=+
J
excscycs
L、1™,■1™,
czexczcy
=+
■
exctcyd
显然竺与竺仍是s,t的复合函数,其中竺,竺是x,y的函数,空,空,今,引是s,t
csctexcycsctcsct
z关于s,t的二阶偏导数
czyex.czc
I"l
ex<5s(cs丿
(皀]空+冬上(空)
cycs\_csj
_2
os
的函数。
继续求
r2cz_
r2-
cs
r
rI™.I1™.
CS'ex丿cs
aa\
OS(cy丿cs
(cz空十
csExeycs丿
Iczex十czcy[cy十czcyyeyexcscycs丿cscycs
-2f-%2,2
—-2
r2r、r-r2
czcyex.czex,
十十
csexcs
同理可得
/-¥cZex
r2L、
exves丿
cz
-2
尸■.厶r
+2"仝型+点xcycscs
列、.ozoxezey
—I\\
rIrL'2L、c2'
'cs丿ex g2Z IF g2Z-cX2空2云丿 _2 c2Z 邑 2 Fa2 (次、cOZ泳讷——I+2_+ 、盘丿cX5yctct 22 CZCXCZCy ++r, CXctcyct 歹Z&点X+点2z cZcycy 2 点ycS戲 g2Z cb5s c2Z 2 CXcsctZXc^cSct 22 CZexCZcy ++ exc^ctcyeSet C2Z Wxey 例3设Z=fX,—,求 Vy丿 解这里Z是以X和y为自变量的复合函数,它也可以改写成如下形式: &2, X =f(u,v),u=X,V=— y 由复合函数求导公式有 cz CXrff 注意,这里d,f仍是以 cucv cfcucfdv汙 =+= Srar宀 cuexcvexcu u,v为中间变量X,y为自变量的复合函数.所以 -.2 C 旬2& cuC2f点v,1rC2fcu —I leer c^cvCXy(cveuCX c2f2c2f1c2f =++ r2--2_2> cuycuevycv 点八点uycvJ cfe+ 2L' cucy f-2," cfcu CLr (cveucy Xc2f —2宀- ycuev CZ fa cXcy rL、 cfcv I-.r-.c cuevcy C2f釦' .-.2I cvQX丿 _丄兰+ y2cv r2.-、 cfcv 十 r2r cvoy丿 Xc2f1df —~3-2——2~~— ycvycv 中值定理和泰勒公式 二元函数的中值公式和泰勒公式,与一元函数的拉格朗日公式和泰勒公式相仿, 元函数(n>2)也有同样的公式,只是形式上更复杂一些. 在叙述有关定理之前,先介绍凸区域的概念. 若区域D上任意两点的连线都含于D,则称D为凸区域(图17-6)•这就是说,若D 对于n 为凸区域,则对任意两点R(x1,y1),P2(x2,y2^D和一切k(0 P(xi+k(x2—xi),yi+k(y2—yi))亡D. AJ--. IjT-严 —(h—+k—)f(X0,y0)+n! excy Are (h—+k—)f(x。 +0h,y。 +0k). (n+1! &cy (11)式称二元函数f在点Po的n阶泰勒公式,其中 L、L、mrm (h上+kZ)mf(Xo,yo)=2f(xo,yo)hikm-'. excy^0excy 证与定理17.8的证明一样.作函数 ①(t)=f(x0+th,y0+tk). 由定理的假设,一元函数①(t)在0,11上满足一元函数泰列定理条件,于是有 不不①'(0)①"(0) ① (1)=①(0)+—+——+■■-+ 1! 2! ①5)(0)①E(£)a ——+(0丈9<1). n! (n+1)! 应用复合函数求导法则,可求得①(t)的各阶导数: ①(t)=(h£+k—)mf(X0+th,y。 +tk).(m=1,2,…,n+1). excy 当t=0时,则有 ①(m)(0)=(h£+k—)mf(X0,y0)(m=1,2,…,n). (11) (12) (13) excy 若略去余项,并让X=1.08,y=3.96,,则有 (1.08丫.96上1+4xO.O8+6xO.O82-O.O8xO.O4=1.3552□ 与§1例7的结果相比较,这是更接近于真值(1.356307…)的近似值•因为微分近似式 相当于现在的一阶泰勒公式. 极值问题 多元函数的极值问题是多元函数微分学的重要应用,这里仍以二元函数为例进行讨论. 定义设函数f在点F0(xo,yo)的某邻域U(R)内有定义.若对于任何点 P(x,y戶U(Po),成立不等式 f(P) 则称函数f在点Po取得极大(或极小)值,点Po称为f的极大(或极小)值点.极大值、极小值统称极值•极大值点、极小值点统称极值点. 注意: 这里所讨论的极值点只限于定义域的内点. X2+y2<1〉,恒有 例5设f(X,y)=2x2+y2,g(x,y)=J1-x2—y2,h(x,y)=xy..由定义直接知道,坐标原点(0,0)是f的极小值点,是g的极大值点,但不是h的极值点.这是因为对任何点(x,y),恒有f(X,y)>f(0,0)=0;对函数(x,y)亡《x,y) g(x,y) 象限中的点,又含有使h(x,y)<0的n、w象限中的点,所以h(0,0)=0既不是极大值又不是极小值.□ 由定义可见,若f在点(xo,yo取得极值,则当固定y=yo时,一元函数f(x,yo)必定x=xo在取相同的极值上.同理,一元函数f(xo,y.)在y=yo也取相同的极值.于是得到 二元函数取极值的必要条件如下: 定理17.10(极值必要条件)若函数f在点Po(xo,yo存在偏导数,且在Po取得极值, 则有 fx(Xo,yo)=0,fy(Xo,y。 )=0.(16) 反之,若函数f在点Po满足(16),则称点PO为f的稳定点.定理17.10指出: 若f存在偏导数,则其极值点必是稳定点。 但稳定点并不都是极值点,如例5中的函数h,原点 为为其稳定点,但它在原点并不取得极值. 与一元函数的情形相同,函数在偏导数不存在的点上也有可能取得极值。 例如 f(x,y)=Jx2+y2在原点没有偏导数,但f(0,0)=0是f的极小值. 为了讨论二元函数f在点Po(xo,yo)取得极值的充分条件,我们假定f具有二阶连续 偏导数,并记 f(x,y)—f(X0,y0) 1T22 =2(从,3)日f(P0)(Ax,iy)+o3x,Ay) 由于Hf(P0)正定,所以对任何3x,Ay)H(0,0),恒使二次型Q(Ax,Ay)=(&,Ay)Hf(F0)(Ax,Ay)TaO..因此存在一个与Ax,Ay无关的正数q,使得 22 Q(ix,Ay)>2q(ix,Ay). 从而对于充分小的U(P0),只要(X,y)€U(P0)就有 f(x,y)—f(X0,y0)Xq(Ax2+Ay2)+ogx2+Ay2)=(Ax2+Ay2jjq+ (1))30即f在点(X0,y0)取得极小值. 同理可证Hf(P0)为负定矩阵时,f在P0取得极大值. 最后,当Hf(P0)不定时,f在P0不取极值.这是因为倘若f取极值(例如取极大值),则沿任何过P0的直线X=X0+1比X,y=y0+Uy,f(x,y)=f(X0+1也x,y0+t^y)=W(t),在t=0亦取极大值.由一元函数取极值的充分条件®"(0)A0是不可能的(否则W在t=0将取极小值),故W"(0)兰0.而 ®(t)=f3x+fyAy, 护"(t)=fxx&2+2fx3x^y+fyyAy2,W"(O)=(MyHf(P0)(AxAyy. 这表明Hf(P0)必须是负半定的。 同理,倘若f取极小值,则将导致Hf(P0)必须是正半 定的。 也就是说,当f在P0取极值时,Hf(P0)必须时正半定或负半定矩阵,但这与假设 □定理17.11又可写成如下比较 相矛盾. 根据正半定或负半定对称阵所属主子行列式的符号规则,实用的形式: 若函数 (i)当 (ii)当 (iii)当(fxxfyy-fXy)(P0k0时,f在点P。 不能取得极值; (iv)当(fxxfyy-fXy)(P0)=0时,不能肯定f在点P。 是否取得极值. 例6求f(X,y)=x2+5y2-6x+10y+6的极值. 解由方程组 Ifx=2x-6=o, jfy=10y+10=0 得f的稳定点Po(3,—1),由于 fxx(Po)=2,fxy(Po)=0,fyy(Po)=1O,(fxxfyy-fx2)(Po)=2O. 因为f在点P。 取得极小值f(3,-1)=-8.又因f处处存在偏导数,故(3,-1)为f的惟一极值点. 例7讨论f(x,y^x2+xy是否存在极值. 解由方程组fx=2x中y=0,fy=x=0得稳定点为原点. 因fxxfyy-fx: =-1<0,,故原点不是f的极值点。 又因f处处可微,所以f没有极值点。 例8讨论f(X,y)=(y—x2)(y—2x2在原点是否取得极值. 解容易验证原点是f的稳定点,且在原点Jfyy-f: =0,故由定理17.11无法判定 2222 f在原点是否取到极值.但由于当x f(x,y)>0,(图17-7),所以函数 Sg=4J3a2,SqP=2J3a2,Sgp=由于Sg: >0,SgSEp—S20p=36a"A。 ,,因此S在此稳定点上取得极小值. 因为面积函数S在定义域中处处存在偏导数,又因此时a=P=7,,而具体问题存在 最小值,故外三角形中以正三角形的面积为最小. 例10(最小二乘法问题)设通过观测或实验得到一列点(Xj’yj)i=1,2,…n.。 它们 大体上在一条直线上,即大体上可用直线方程来反映变量x与y之间的对应关系(参见图 17-9).现在要确定一直线使得与这n个点的偏差平方和最小(最小二乘方). 解设所求直线方程为y=ax+b,所测得的n个点为(Xj,%)(i=1,2,…n.).现要确定a,b,使得 n 2 f(a,b)=2(aXi+b—yi) i4 为最小.为此,令 n fa=22Xi(a^+b-yi)=0,jy \n ! fb=2送(aXi+b—yj=0, Ly 把这组关于a,b的线性方程加以整理,得 nnn 2 aWXi+bWXi=£Xiyi=0 izti4i4 nn aSXi+bn=Syi. i经y 求此方程组的解,即得f(a,b)的稳定点 -乍Xi ⑺J l-fzXiyiis"人rnYZXi JV丿 n2 nSXi y Xi2Fyi 人7. n2n送Xi—i二 为进一步确定该点是极小值点,我们计算得 作业布置: P1411 (2),(7);2;7 (2);
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