Смекни!
smekni.com

Экстремумы функций (стр. 3 из 9)

где x= xi-xi0 ; производные все вычеслены в некоторой точке

(x10+0 x1, x20+0 x2,…, xn0+0 xn) (0<0<1)

Введём и здесь значения

fxixj ’’ (x10,x20,…,xn0)=aik (i,k=1,2,…,n) (4.2)

так что

fxixj ’’ (x10+0 x1, x20+0 x2,…, xn0+0 xn)= aik+ ik

и

ik 0 при x1 0,…, xn 0 (4.3)

Теперь интеесующее нас выражение можно написать в виде:

= { aik xi xk+ ik xi xk} (4.4)

На первом месте в скобках здесь стоит второй дифференциал функции f в рассматриваемой точке : он представляет собой однородный одночлен второй степени или, как говорят, квадратичную форму от переменных x1,…,xn. От свойств этой квадратичной формы, как мы увидим, и зависит решение интересующего нас вопроса.

В высшей алгебре квадратичную форму

aik yi yk (aik = aki) (4.5)

от переменных y1,…,yn называют определенной положительно (отрицательно), если она имеет положительные (отрицательные) значения при всех значениях аргументов, не равных одновременно нулю.

Необходимое и достаточное условие для того, чтобы форма (4.5) была определенной и положительной принадлежит Сильвестеру (J.J.Sylvester). Оно выражается цепью неравенств:

a11 a12 a11 a12 a13

a11>0, a21 a22 , a21 a22 a23 >0,

a31 a32 a33

Так как определенная отрицательная форма с изменением знака всех её членов переходит в определенню положительную, и обратно, то отсюда легко найти и характеристику отицательной формы : она дается цепью неравенств, которая получается из написанной выше изменением смысла неравенств через одно (начиная с первого).

a11 a12a11 a12 a13

a11>0, a21 a22 a21 a22 a23 >0

a31 a32 a33

Следовательно, чтобы исследовать точку М(x0,y0,z0) на экстремум , надо исследовать квадратичную форму ( 4.5).

Сформулируем полученный результат в виде теоремы.

Теорема : Пусть в некоторой области, содержащей точку М(x0,y0,z0), функция f(x,y,z) имеет непрерывные частные производные до второго порядка включительно; пусть кроме того, точка М(x0,y0,z0) является критической точкой функции f(x,y,z), т.е.

f(x0,y0,z0)f(x0,y0,z0)f(x0,y0,z0)

--------------- =0, ---------------=0, ---------------=0

x y z

Тогда при x=x0,y=y0,z=z0 :

1) f(x,y,z) имеет максимум , если

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2

---------------<0 , -------------------------------- - --------------- >0

x2 x2 y2 xy

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2

--------------- -------------------------------- - --------------- --

x2 x2 z2 y z

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

-- --------------- -------------------------------- --

x y x y z2

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

-- --------------------------------- +

x z y z

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

+ --------------- -------------------------------- --

x z xy y z

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

-- ------------------------------- >0

x z y2

2) f(x,y,z) имеет минимум, если

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2

--------------->0 , -------------------------------- - --------------- >0

x2 x2 y2 xy

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2

--------------- -------------------------------- - --------------- --

x2 x2 z2 y z

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

-- --------------- -------------------------------- --

x y x y z2

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

-- --------------------------------- +

x z y z

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

+ --------------- -------------------------------- --

x z xy y z

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

-- ------------------------------- >0

x z y2

3)если

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2

--------------- -------------------------------- - --------------- --

x2 x2 z2 y z

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

-- --------------- -------------------------------- --

x y x y z2

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

-- --------------------------------- +

x z y z

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

+ --------------- -------------------------------- --

x z xy y z

2f(x0,y0,z0) 2f(x0,y0,z0)

-- ------------------------------- =0

x z y2

то экстремум может быть , а может и не быть (в этом случае требуется дальнейшее исследование )

4) во всех остальных случаях f(x,y,z) не имеет ни максимума , ни минимума.

5.Экстремумы функций многих переменных.

5.1.Необходимые условия экстремума.

Пусть функция u=f(x1,x2,…,xn) определена в области D и (x10,x20,…,xn0) будет внутренней точкой этой области.

Говорят, что функция u=f(x1,x2,…,xn) в точке (x10,x20,…,xn0) имеет максимум (минимум), если её можно окружить такой окрестностью

(x10 x10 x20 x20 xn0 xn0 )

что бы для всех точек этой окрестности выполнялось неравенство

f(x1,x2,…,xn)<f(x10,x20,…,xn0)

(>)

Если эту окрестность взять настлько малой, что бы знак равенства был исключён, т. е. чтобы в каждой её точке, кроме самой точки (x10,x20,…,xn0) выполнялось строгое неравенство

f(x1,x2,…,xn)<f(x10,x20,…,xn0)

(>)

то говорят, что в точке (x10,x20,…,xn0) имеет место собственный максимум (минимум), в противном случае максимум (минимум) называют несобственным.

Для обозначения максимума и минимума (как и в случае одной переменной) употребляется общий термин – экстремум.

Предположим, что наша функция в некоторой точке (x10,x20,…,xn0) имеет экстремум,

Покажем, что если в этой точке существуют (конечные) частные производные

fx1’(x10,x20,…,xn0) ,…, f ’xn(x10,x20,…,xn0)

то все эти частные производные равны нулю, так что обращение в нуль частных производныхпервого порядка является необходимым условием существования экстремума.

С этой целью положим x2=x20,…,xn= xn0 сохраняя x1 переменным ; тогда у нас получится функция от одной переменной x1 :

u=f(x1, x20,…,xn0)

Так как мы предположили, что в точке (x10,x20,…,xn0) существует экстремум (для определенности - пуcть это будет максимум), то, в частности, отсюда следует, что в некоторой окрестности(x10- , x10+ ) точки x1= x10, необходимо должно выполняться неравенство

f(x1, x20,…,xn0)< f(x10,x20,…,xn0)

так что упомянутая выше функция одной переменной в точке x1= =x10 будет иметь максимум, а отсюда по теореме Ферма следует, что

fx1’(x10,x20,…,xn0)=0

Таким образом можно показать, что в точке (x10,x20,…,xn0) и остальные частные производные равны нулю.

Итак, “подозрительными” на экстремум являются те точки, в которых частные производные первого порядка все обращаются в нуль: их координаты можно найти, решив систему уравнений

fx1’(x10,x20,…,xn0)=0

……………………. (5.1)

f ’xn(x10,x20,…,xn0)=0

Как и в случае функции одной переменной, подобные точки называются стационарными.

Замечения :Необходимое условие существования экстремума в случае дифференцируемой функции кратко можно записать так :

d f(x1,x2,…,xn)=0

так как, если fx1’= fx2’=…= f ’xn , то каковы бы ни были dx1,dx2,…,dxn всегда

f(x1,x2 d,…,xn)= fx1’ dx1+ fx2’ dx2+…+ f ’xn dxn=0

И обратно : если в данной точке тождественно выполняется это условие, то ввиду произвольности dx1,dx2,…,dxn производные fx1’, fx2’,…, f ’xn порознь равны нулю.

Обычно, рассматриваемая функция f(x1,x2,…,xn) имеет (конечные) частные производные во всей области, и тогда точки, доставляющие функции экстреммы, следует искать лишь среди стационарных точек. Однако встречаются случаи, когда в отдельных точках некоторые частные производные имеют бесконечные значения или вовсе не существуют (в то время как остальные равны нулю). Подобные точки, собственно, тоже следует причислить к “подозрительным” по экстремуму, наряду со стационарными.