首先,定义二元函数 f(x, y) 在点 P(x_0, y_0) 的极值为:当 (x, y) 在点 P 的某个邻域内变化时,f(x, y) 的最大值(或最小值)。极值点可以是函数图像上的最高点或最低点,也可以是鞍点(在该点既有局部最大值又有局部最小值)。
求解二元函数极值的基本步骤如下:
1. 计算二阶偏导数;
2. 列出 AC 曲面方程,在这个曲面方程中,A、B、C 分别表示 f_xx、f_xy 和 f_yy;
3. 解析表达式 B^2 - AC,并根据其正负判断是否存在极值;
4. 如果 B^2 - AC > 0,则继续下一步;否则,没有极值点。
5. 对于每个极值点,计算对应的 f_xx、f_yy 和 f_xy;
6. 使用上述计算结果,应用极值判定定理来确定每一个极值点是否为极大值或极小值。
极值判定定理的内容如下:
- 如果 f_xx > 0 并且 f_yy > 0,则 P(x_0, y_0) 是极小值点;
- 如果 f_xx < 0 并且 f_yy < 0,则 P(x_0, y_0) 是极大值点;
- 如果 f_xx 和 f_yy 异号,则 P(x_0, y_0) 是鞍点。
接下来,我们将通过一个具体的例子来演示如何求解二元函数的极值。
例题:求解函数 f(x, y) = x^2 + 2xy - y^2 在其定义域内的极值。
解题步骤如下:
1. 计算一阶偏导数:f_x = 2x + 2y,f_y = 2x - 2y。
2. 令 f_x = 0 和 f_y = 0,解得可能的驻点为 (0, 0) 和 (-1, -1)。
3. 计算二阶偏导数:f_xx = 2,f_yy = 2,f_xy = 2。
4. 代入 AC 曲面方程,得到 B^2 - AC = 2^2 - (2)(2) = 0。
5. 由于 B^2 - AC > 0,因此有可能存在极值点。
6. 将驻点坐标代入极值判定定理,得到:
- 在点 (0, 0) 处,f_xx = 2 > 0,f_yy = 2 > 0,因此 (0, 0) 是极小值点。
- 在点 (-1, -1) 处,f_xx = 2 > 0,f_yy = 2 > 0,因此 (-1, -1) 是极小值点。
因此,函数 f(x, y) = x^2 + 2xy - y^2 的极小值点为 (0, 0) 和 (-1, -1)。
以上就是求解二元函数极值的方法和过程。在实际应用中,可能还会涉及到更多的技术和工具,比如 Lagrange 乘数法、Saddle Point 定理等。