方企勤 第五章 多元函数微分学 第6题

教材习题

📝 题目

例 6 求由方程 $2{x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2} + {2xy} - {2x} - {2y} - {4z} + 4 = 0$ 所确定的函数 $z = z\left( {x,y}\right)$ 的极值.

💡 答案解析

解法 1 由隐函数求导,得

$$ \left\{ \begin{array}{l} {4x} + {2z}\frac{\partial z}{\partial x} + {2y} - 2 - 4\frac{\partial z}{\partial x} = 0, \\ {2y} + {2z}\frac{\partial z}{\partial y} + {2x} - 2 - 4\frac{\partial z}{\partial y} = 0. \end{array}\right. \tag{4.5} $$ (4.6)

令 $\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial y} = 0$ ,得方程组

$$ \left\{ \begin{array}{l} {2x} + y - 1 = 0 \\ y + x - 1 = 0 \end{array}\right. $$

由此求出临界点 $x = 0,y = 1$ . 再代入原方程,求出两个隐函数的值为

$$ {z}_{1} = {z}_{1}\left( {0,1}\right) = 1,\;{z}_{2} = {z}_{2}\left( {0,1}\right) = 3. $$

求二阶偏导数, 由 (4.5) 和 (4.6) 式, 得

$$ \left\{ \begin{array}{l} 4 + 2{\left( \frac{\partial z}{\partial x}\right) }^{2} + {2z}\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} - 4\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} = 0, \\ 2\frac{\partial z}{\partial x}\frac{\partial z}{\partial y} + {2z}\frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y} + 2 - 4\frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y} = 0, \\ 2 + 2{\left( \frac{\partial z}{\partial y}\right) }^{2} + {2z}\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}} - 4\frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}} = 0. \end{array}\right. \tag{4.7} $$ (4.8) (4.9)

用 $x = 0,y = 1,{z}_{1} = 1$ 代入上式,得

$$ {A}_{1} = \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {x}^{2}} = 2 > 0,\;{B}_{1} = \frac{{\partial }^{2}z}{\partial x\partial y} = 1,\;{C}_{1} = \frac{{\partial }^{2}z}{\partial {y}^{2}} = 1, $$

${A}_{1}{C}_{1} - {B}_{1}^{2} = 1 > 0$ ,所以隐函数 ${z}_{1}\left( {x,y}\right)$ 在(0,1)点有极小值 1 . 用 $x =$ $0,y = 1,{z}_{2} = 3$ 代入 (4.7) 式 $\sim \left( {4.9}\right)$ 式,得 ${A}_{2} = - 2 < 0,{B}_{2} = - 1,{C}_{2}$ $= - 1,{A}_{2}{C}_{2} - {B}_{2}^{2} = 1 > 0$ . 所以隐函数 ${z}_{2}\left( {x,y}\right)$ 在(0,1)点有极大值 3 .

解法 2 取目标函数 $f\left( {x,y,z}\right) = z$ ,约束条件为原方程. 令

$$ \Phi \left( {x,y,z,\lambda }\right) = z + \lambda \left( {2{x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2} + {2xy} - {2x} - {2y} - {4z} + 4}\right) . $$

求导得

$$ \left\{ \begin{array}{l} {\Phi }_{x}^{\prime } = \lambda \left( {{4x} + {2y} - 2}\right) = 0, \\ {\Phi }_{y}^{\prime } = \lambda \left( {{2y} + {2x} - 2}\right) = 0, \\ {\Phi }_{z}^{\prime } = 1 + \lambda \left( {{2z} - 4}\right) = 0, \\ {\Phi }_{\lambda }^{\prime } = 2{x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2} + {2xy} - {2x} - {2y} - {4z} + 4 = 0. \end{array}\right. \tag{4.10} $$ (4.11) (4. 12) (4.13)

容易看出 $\lambda \neq 0$ ,所以由 (4.10) 和 (4.11) 式解出 $x = 0,y = 1$ . 再由 (4.13) 式解出 ${z}_{1} = 1,{z}_{2} = 3$ ,经 (4.12) 式解出

$$ {\lambda }_{1} = 1/2,\;{\lambda }_{2} = - 1/2. $$

$\Phi \left( {x,y,z,1/2}\right)$ 在(0,1,1)点的海色矩阵为

$$ \left\lbrack \begin{array}{lll} 2 & 1 & 0 \\ 1 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{array}\right\rbrack $$

它的主对角线行列式

$$ {\Delta }_{1} = 2 > 0,\;{\Delta }_{2} = 1 > 0,\;{\Delta }_{3} = 1 > 0. $$

所以隐函数 ${z}_{1}\left( {x,y}\right)$ 在(0,1)点有极小值 1 . $\Phi \left( {x,y,z, - 1/2}\right)$ 在 (0,1,3)点的海色矩阵为

$$ \left\lbrack \begin{array}{rrr} - 2 & - 1 & 0 \\ - 1 & - 1 & 0 \\ 0 & 0 & - 1 \end{array}\right\rbrack $$

它的主对角线行列式 ${\Delta }_{1} = - 2 < 0,{\Delta }_{2} = 1 > 0,{\Delta }_{3} = - 1 < 0$ . 所以隐函数 ${z}_{2}\left( {x,y}\right)$ 在(0,1)点有极大值 3 .

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:求隐函数的一阶偏导数
对方程两边分别对x和y求偏导,得到方程组(4.5)和(4.6)。
公式:4x + 2z ∂z/∂x + 2y - 2 - 4 ∂z/∂x = 0; 2y + 2z ∂z/∂y + 2x - 2 - 4 ∂z/∂y = 0
提示:注意z是x,y的函数,求导时需使用链式法则。
步骤 2/6
目标:求临界点
令一阶偏导数为0,得到方程组,解得x=0, y=1。代入原方程得到z=1或z=3。
公式:2x + y - 1 = 0; y + x - 1 = 0
提示:临界点满足一阶偏导数为0。
步骤 3/6
目标:求二阶偏导数
对一阶偏导方程组继续求偏导,得到二阶偏导方程组(4.7)-(4.9)。
公式:4 + 2(∂z/∂x)^2 + 2z ∂²z/∂x² - 4 ∂²z/∂x² = 0; 2(∂z/∂x)(∂z/∂y) + 2z ∂²z/∂x∂y + 2 - 4 ∂²z/∂x∂y = 0; 2 + 2(∂z/∂y)^2 + 2z ∂²z/∂y² - 4 ∂²z/∂y² = 0
提示:代入临界点及对应的z值计算二阶偏导。
步骤 4/6
目标:判断极值(解法1)
代入(0,1,1)得A=2>0, B=1, C=1, AC-B²=1>0,故极小值1;代入(0,1,3)得A=-2<0, B=-1, C=-1, AC-B²=1>0,故极大值3。
公式:A = ∂²z/∂x², B = ∂²z/∂x∂y, C = ∂²z/∂y²; 判别式 AC - B²
提示:A>0且AC-B²>0为极小;A<0且AC-B²>0为极大。
步骤 5/6
目标:拉格朗日乘数法(解法2)
构造拉格朗日函数,求偏导得方程组(4.10)-(4.13),解得x=0,y=1,z=1或3,对应λ=1/2或-1/2。
公式:Φ = z + λ(2x²+y²+z²+2xy-2x-2y-4z+4); Φ_x'=λ(4x+2y-2)=0; Φ_y'=λ(2y+2x-2)=0; Φ_z'=1+λ(2z-4)=0; Φ_λ'=0
提示:λ≠0,由前两式解出x,y。
步骤 6/6
目标:判断极值(解法2)
计算Φ的海色矩阵,代入(0,1,1,1/2)得矩阵正定,极小值1;代入(0,1,3,-1/2)得矩阵负定,极大值3。
公式:海色矩阵:[[Φ_xx, Φ_xy, Φ_xz], [Φ_yx, Φ_yy, Φ_yz], [Φ_zx, Φ_zy, Φ_zz]]; 顺序主子式
提示:正定对应极小,负定对应极大。

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