Files
University-notes/1 курс/2 семестр/Вышмат/Билеты/Раздел 2/10.md

115 lines
6.3 KiB
Markdown
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

Определение экстремума функции двух переменных. Необходимое условие экстремума. Достаточное условие экстремума:
# Определение
Пусть $z = f(x, y)$ - функция двух переменных, заданная в некоторой области $D$. Точка $(x_0, y_0)$ из области $D$ называется точкой экстремума функции $f(x, y)$, если существует такая окрестность $U$ точки $(x_0, y_0)$, что для всех точек $(x, y)$ из этой окрестности выполняется одно из следующих условий:
1. $f(x_0, y_0) \leq f(x, y)$ для всех $(x, y) \in U$ - точка $(x_0, y_0)$ называется точкой минимума функции $f(x, y)$;
2. $f(x_0, y_0) \geq f(x, y)$ для всех $(x, y) \in U$ - точка $(x_0, y_0)$ называется точкой максимума функции $f(x, y)$.
Если в некоторой окрестности точки $(x_0, y_0)$ выполняется одно из этих условий, но не выполняется другое, то точка $(x_0, y_0)$ называется точкой седловой точки функции $f(x, y)$.
# Необходимое условие экстремума
Теорема. Если точка $(x_0, y_0)$ является точкой экстремума функции $f(x, y)$, то необходимо, чтобы выполнялись следующие условия:
1. $f'_x(x_0, y_0) = 0$;
2. $f'_y(x_0, y_0) = 0$.
$$
f'_x(x_0, y_0) = 0, \quad f'_y(x_0, y_0) = 0
$$
> [!Замечание]
> Эти условия называются условиями первого порядка. Если они выполняются, то точка $(x_0, y_0)$ называется стационарной точкой функции $f(x, y)$.
# Достаточное условие экстремума
Теорема. Пусть точка $(x_0, y_0)$ является стационарной точкой функции $f(x, y)$, т.е. выполняются условия первого порядка:
$$
f'_x(x_0, y_0) = 0, \quad f'_y(x_0, y_0) = 0
$$
Тогда:
1. Если $f''_{xx}(x_0, y_0) > 0$ и $D = f''_{xx}(x_0, y_0)f''_{yy}(x_0, y_0) - f''_{xy}(x_0, y_0)^2 > 0$, то точка $(x_0, y_0)$ является точкой минимума функции $f(x, y)$.
2. Если $f''_{xx}(x_0, y_0) < 0$ и $D = f''_{xx}(x_0, y_0)f''_{yy}(x_0, y_0) - f''_{xy}(x_0, y_0)^2 > 0$, то точка $(x_0, y_0)$ является точкой максимума функции $f(x, y)$.
3. Если $D = f''_{xx}(x_0, y_0)f''_{yy}(x_0, y_0) - f''_{xy}(x_0, y_0)^2 < 0$, то точка $(x_0, y_0)$ является седловой точкой функции $f(x, y)$.
4. Если $D = f''_{xx}(x_0, y_0)f''_{yy}(x_0, y_0) - f''_{xy}(x_0, y_0)^2 = 0$, то достаточного условия экстремума нет.
# Примеры
1. Найти экстремумы функции $f(x, y) = x^2 + y^2 - 2x - 4y + 5$.
**Решение**:
Найдем частные производные первого порядка:
$$
f'_x(x, y) = 2x - 2, \quad f'_y(x, y) = 2y - 4
$$
Найдем стационарные точки, решив систему уравнений:
$$
\begin{cases}
2x - 2 = 0, \\
2y - 4 = 0
\end{cases}
$$
Получим точку $(1, 2)$.
Найдем частные производные второго порядка:
$$
f''_{xx}(x, y) = 2, \quad f''_{yy}(x, y) = 2, \quad f''_{xy}(x, y) = 0
$$
Вычислим определитель матрицы Гессе:
$$
D = f''_{xx}(1, 2)f''_{yy}(1, 2) - f''_{xy}(1, 2)^2 = 2 \cdot 2 - 0^2 = 4 > 0
$$
Так как $f''_{xx}(1, 2) > 0$, то точка $(1, 2)$ является точкой минимума функции $f(x, y)$.
**Ответ**: Точка $(1, 2)$ - точка минимума функции $f(x, y) = x^2 + y^2 - 2x - 4y + 5$.
2. Найти экстремумы функции $f(x, y) = x^2 - y^2 + 2x + 4y - 5$.
**Решение**:
Найдем частные производные первого порядка:
$$
f'_x(x, y) = 2x + 2, \quad f'_y(x, y) = -2y + 4
$$
Найдем стационарные точки, решив систему уравнений:
$$
\begin{cases}
2x + 2 = 0, \\
-2y + 4 = 0
\end{cases}
$$
Получим точку $(-1, 2)$.
Найдем частные производные второго порядка:
$$
f''_{xx}(x, y) = 2, \quad f''_{yy}(x, y) = -2, \quad f''_{xy}(x, y) = 0
$$
Вычислим определитель матрицы Гессе:
$$
D = f''_{xx}(-1, 2)f''_{yy}(-1, 2) - f''_{xy}(-1, 2)^2 = 2 \cdot (-2) - 0^2 = -4 < 0
$$
Так как $D < 0$, то точка $(-1, 2)$ является седловой точкой функции $f(x, y)$.
**Ответ**: Точка $(-1, 2)$ - седловая точка функции $f(x, y) = x^2 - y^2 + 2x + 4y - 5$.
> [!?]
> Матрица Гессе - это квадратная матрица второго порядка, составленная из вторых частных производных функции нескольких переменных. Она названа в честь немецкого математика Отто Гессе.
> Пусть $f(x_1, x_2, ..., x_n)$ - функция $n$ переменных, заданная в некоторой области $D$. Тогда матрицей Гессе функции $f$ называется матрица $H(f)$, составленная из вторых частных производных функции $f$:
> $$
H(f) =
\begin{pmatrix}
\frac{\partial^2 f}{\partial x\_1^2} & \frac{\partial^2 f}{\partial x\_1 \partial x\_2} & \dots & \frac{\partial^2 f}{\partial x\_1 \partial x\_n} \\
\frac{\partial^2 f}{\partial x\_2 \partial x\_1} & \frac{\partial^2 f}{\partial x\_2^2} & \dots & \frac{\partial^2 f}{\partial x\_2 \partial x\_n} \\
\vdots & \vdots & \ddots & \vdots \\
\frac{\partial^2 f}{\partial x\_n \partial x\_1} & \frac{\partial^2 f}{\partial x\_n \partial x\_2} & \dots & \frac{\partial^2 f}{\partial x\_n^2}
\end{pmatrix}
$$