Производная по направлению.

 

Пусть функция u = f (x, y, z) непрерывна в некоторой области D и имеет в этой области непрерывные частные производные. Выберем в рассматриваемой области точку M(x,y,z) и проведем из нее вектор S, направляющие косинусы которого cosα, cosβ, cosγ. На векторе S на расстоянии Δ s от его начала найдем точку М ₁(х+ Δ х, у+ Δ у, z+ Δ z), где

Представим полное приращение функции f в виде:

где

После деления на Δ s получаем:

.

Поскольку предыдущее равенство можно переписать в виде:

 

(1)

Градиент.

Определение Предел отношения при называется производной от функции u = f (x, y, z) по направлению вектора S и обозначается .

При этом из (1) получаем:

(2)

 

Замечание 1. Частные производные являются частным случаем производной по направлению. Например, при получаем:

.

 

Замечание 2. Выше определялся геометрический смысл частных производных функции двух переменных как угловых коэффициентов касательных к линиям пересечения поверхности, являющейся графиком функции, с плоскостями х = х₀ и у = у₀. Аналогичным образом можно рассматривать производную этой функции по направлению l в точке М(х₀, у₀) как угловой коэффициент линии пересечения данной поверхности и плоскости, проходящей через точку М параллельно оси O z и прямой l.

Определение Вектор, координатами которого в каждой точке некоторой области являются частные производные функции u = f (x, y, z) в этой точке, называется градиентом функции u = f (x, y, z).

Обозначение: grad u = .

Свойства градиента.

1. Производная по направлению некоторого вектора S равняется проекции вектора grad u на вектор S. Доказательство. Единичный вектор направления S имеет вид e_S ={cosα, cosβ, cosγ}, поэтому правая часть формулы (4.7) представляет собой скалярное произведение векторов grad u и e_s, то есть указанную проекцию.

2. Производная в данной точке по направлению вектора S имеет наибольшее значение, равное |grad u |, если это направление совпадает с направлением градиента. Доказательство. Обозначим угол между векторами S и grad u через φ. Тогда из свойства 1 следует, что |grad u |∙cosφ, (4.8) следовательно, ее наибольшее значение достигается при φ=0 и равно |grad u |.

3. Производная по направлению вектора, перпендикулярного к вектору grad u, равна нулю.

Доказательство. В этом случае в формуле (4.8)

4. Если z = f (x,y) – функция двух переменных, то grad f = направлен перпендикулярно к линии уровня f (x,y) = c, проходящей через данную точку.

 

 

Экстремумы функций нескольких переменных. Необходимое условие экстремума. Достаточное условие экстремума. Условный экстремум. Метод множителей Лагранжа. Нахождение наибольших и наименьших значений.

Определение 1. Точка М₀ (х₀, у₀) называется точкой максимума функции z = f (x, y), если f (x_o, y_o) > f (x, y) для всех точек (х, у) из некоторой окрестности точки М₀.

Определение 2. Точка М₀ (х₀, у₀) называется точкой минимума функции z = f (x, y), если f (x_o, y_o) < f (x, y) для всех точек (х, у) из некоторой окрестности точки М₀.

 

Замечание 1. Точки максимума и минимума называются точками экстремума функции нескольких переменных.

Замечание 2. Аналогичным образом определяется точка экстремума для функции от любого количества переменных.

 

Теорема 1 (необходимые условия экстремума). Если М₀ (х₀, у₀) – точка экстремума функции z = f (x, y), то в этой точке частные производные первого порядка данной функции равны нулю или не существуют.

Доказательство.

Зафиксируем значение переменной у, считая у = у₀. Тогда функция f (x, y₀) будет функцией одной переменной х, для которой х = х₀ является точкой экстремума. Следовательно, по теореме Ферма или не существует. Аналогично доказывается такое же утверждение для .

 

Определение 3. Точки, принадлежащие области определения функции нескольких переменных, в которых частные производные функции равны нулю или не существуют, называются стационарными точками этой функции.

 

Замечание. Таким образом, экстремум может достигаться только в стационарных точках, но не обязательно он наблюдается в каждой из них.

Примеры.

1. Найдем стационарную точку функции z = x ² + y ². Для этого решим систему уравнений откуда х₀ = у₀ = 0. Очевидно, что в этой точке функция имеет минимум, так как при х = у = 0 z = 0, а при остальных значениях аргументов z > 0.
2. Для функции z = xy стационарной точкой тоже является (0, 0), но экстремум в этой точке не достигается (z ( 0, 0) = 0, а в окрестности стационарной точки функция принимает как положительные, так и отрицательные значения).

 

Теорема 2 (достаточные условия экстремума). Пусть в некоторой окрестности точки М₀ (х₀, у₀), являющейся стационарной точкой функции z = f (x, y), эта функция имеет непрерывные частные производные до 3-го порядка включительно. Обозначим Тогда:

1) f (x, y) имеет в точке М₀ максимум, если AC – B ² > 0, A < 0;

2) f (x, y) имеет в точке М₀ минимум, если AC – B ² > 0, A > 0;

3) экстремум в критической точке отсутствует, если AC – B ² < 0;

4) если AC – B ² = 0, необходимо дополнительное исследование.

Пример. Найдем точки экстремума функции z = x ² - 2 xy + 2 y ² + 2 x. Для поиска стационарных точек решим систему . Итак, стационарная точка (-2,-1). При этом А = 2, В = -2, С = 4. Тогда AC – B ² = 4 > 0, следовательно, в стационарной точке достигается экстремум, а именно минимум (так как A > 0).

Условный экстремум.

Определение 4. Если аргументы функции f (x₁, x₂,…, x_n) связаны дополнительными условиями в виде m уравнений (m < n):

φ₁ (х₁, х₂,…, х_n) = 0, φ₂ (х₁, х₂,…, х_n) = 0, …, φ_m (х₁, х₂,…, х_n) = 0, (1)

где функции φ_i имеют непрерывные частные производные, то уравнения (1) называются уравнениями связи.

Определение 5. Экстремум функции f (x₁, x₂,…, x_n) при выполнении условий (1) называется условным экстремумом.

Замечание. Можно предложить следующее геометрическое истолкование условного экстремума функции двух переменных: пусть аргументы функции f(x,y) связаны уравнением φ (х,у) = 0, задающим некоторую кривую в плоскости О ху. Восставив из каждой точки этой кривой перпендикуляры к плоскости О ху до пересечения с поверхностью z = f (x,y), получим пространственную кривую, лежащую на поверхности над кривой φ (х,у) = 0. Задача состоит в поиске точек экстремума полученной кривой, которые, разумеется, в общем случае не совпадают с точками безусловного экстремума функции f(x,y).

Определим необходимые условия условного экстремума для функции двух переменных, введя предварительно следующее определение:

Определение 6. Функция L (x₁, x₂,…, x_n) = f (x₁, x₂,…, x_n) + λ₁φ₁ (x₁, x₂,…, x_n) +

+ λ₂φ₂ (x₁, x₂,…, x_n) +…+λ_mφ_m (x₁, x₂,…, x_n), (2)

где λ_i – некоторые постоянные, называется функцией Лагранжа, а числа λ_i – неопределенными множителями Лагранжа.

Теорема (необходимые условия условного экстремума). Условный экстремум функции z = f (x, y) при наличии уравнения связи φ (х, у) = 0 может достигаться только в стационарных точках функции Лагранжа L (x, y) = f (x, y) + λφ (x, y).

Доказательство. Уравнение связи задает неявную зависимость у от х, поэтому будем считать, что у есть функция от х: у = у(х). Тогда z есть сложная функция от х, и ее критические точки определяются условием: . (3)

Из уравнения связи следует, что . (4)

Умножим равенство (4) на некоторое число λ и сложим с (3). Получим:

, или .

Последнее равенство должно выполняться в стационарных точках, откуда следует:

(5)

Получена система трех уравнений относительно трех неизвестных: х, у и λ, причем первые два уравнения являются условиями стационарной точки функции Лагранжа. Исключая из системы (5) вспомогательное неизвестное λ, находим координаты точек, в которых исходная функция может иметь условный экстремум.

Замечание 1. Проверку наличия условного экстремума в найденной точке можно провести с помощью исследования частных производных второго порядка функции Лагранжа по аналогии с теоремой 2.

Замечание 2. Точки, в которых может достигаться условный экстремум функции f (x₁, x₂,…, x_n) при выполнении условий (1), можно определить как решения системы (6)

Пример. Найдем условный экстремум функции z = xy при условии х + у = 1. Составим функцию Лагранжа L(x, y) = xy + λ (x + y – 1). Система (6) при этом выглядит так:

, откуда -2λ=1, λ=-0,5, х = у = -λ = 0,5. При этом L (x, y) можно представить в виде L (x, y) = -0,5 (x – y)² + 0,5 ≤ 0,5, поэтому в найденной стационарной точке L (x, y) имеет максимум, а z = xy – условный максимум.