条件极值的应用
条件极值应用的一般步骤
- 确定目标函数:明确要最大化或最小化的量。
- 确定约束条件:找出自变量之间的限制关系。
- 构造拉格朗日函数:引入拉格朗日乘数。
- 求解方程组:令所有偏导数为零,解出驻点。
- 判断极值:根据实际意义或二阶条件判断是否为极值。
- 回答问题:给出最终结论。
典型应用题
例题1:空间曲线到原点的距离
求空间曲线 x2+y2=z,x+y+z=1 上的点到原点的最长和最短距离。
参考答案
条件极值距离空间曲线双约束
- 目标:f(x,y,z)=x2+y2+z2(距离平方)
- 约束:φ=x2+y2−z=0,ψ=x+y+z−1=0
- L=x2+y2+z2+λ(x2+y2−z)+μ(x+y+z−1)
- Lx=2x+2λx+μ=0,Ly=2y+2λy+μ=0,Lz=2z−λ+μ=0
- 由 Lx=Ly:2(x−y)(1+λ)=0,故 x=y 或 λ=−1
- 若 x=y:2x2=z,2x+z=1,即 2x2+2x−1=0,x=2−1±3
- x=y=2−1+3,z=2−3,f=2x2+z2=z+z2=(2−3)+(2−3)2=9−53
- x=y=2−1−3,z=2+3,f=z+z2=9+53
- 若 λ=−1:μ=0,由 Lz=0 得 z=21,由 x2+y2=21 和 x+y=21 得 xy=−81,x,y=41±3,f=21+41=43
- 比较:最短距离 =43=23,最长距离 =9+53
答案:最短距离为 23,最长距离为 9+53。
例题2:最优生产计划
某工厂生产两种产品,产量分别为 x 和 y,总成本函数为 C(x,y)=x2+2y2+10,市场需求约束为 x+y=30。求使总成本最小的生产计划。
参考答案
条件极值经济应用最优生产成本最小
- 目标:最小化 C(x,y)=x2+2y2+10
- 约束:x+y=30
- L=x2+2y2+10+λ(x+y−30)
- Lx=2x+λ=0,Ly=4y+λ=0,Lλ=x+y−30=0
- 由前两式:2x=4y,即 x=2y
- 代入约束:3y=30,y=10,x=20
- 最小成本 C(20,10)=400+200+10=610
- 黑塞矩阵 H=(2004) 正定,故为最小值。
答案:最优生产计划为 x=20,y=10,最小成本为 610。
例题3:最大内接长方体(椭球)
求内接于椭球面 a2x2+b2y2+c2z2=1 且各面平行于坐标面的最大长方体体积。
参考答案
条件极值椭球内接长方体最大体积
- 设第一卦限顶点为 (x,y,z),体积 V=8xyz
- 约束:a2x2+b2y2+c2z2=1
- 为方便,最大化 f=xyz(等价于最大化 V)
- L=xyz+λ(a2x2+b2y2+c2z2−1)
- Lx=yz+a22λx=0,Ly=xz+b22λy=0,Lz=xy+c22λz=0
- 由 Lx=0:yz=−a22λx,两边乘 x:xyz=−a22λx2
- 同理:xyz=−b22λy2=−c22λz2
- 故 a2x2=b2y2=c2z2,代入约束得 a23x2=1,x=3a
- 同理 y=3b,z=3c
- 最大体积 V=8⋅3a⋅3b⋅3c=338abc
答案:最大体积为 338abc。
例题4:能量最小化(物理)
一个质点在力场中运动,其势能函数为 U(x,y,z)=x2+2y2+3z2,约束在平面 x+y+z=1 上运动。求质点的平衡位置(势能最小点)。
参考答案
条件极值物理应用势能最小平衡位置
- 目标:最小化 U=x2+2y2+3z2
- 约束:x+y+z=1
- L=x2+2y2+3z2+λ(x+y+z−1)
- Lx=2x+λ=0,Ly=4y+λ=0,Lz=6z+λ=0
- x=−2λ,y=−4λ,z=−6λ
- 代入约束:−λ(21+41+61)=1,−λ⋅1211=1,λ=−1112
- x=116,y=113,z=112
- 黑塞矩阵 H=diag(2,4,6) 正定,故为最小值点。
- 最小势能 U=12136+12118+12112=12166=116
答案:平衡位置为 (116,113,112),最小势能为 116。
练习题
练习1
求抛物线 y=x2 到直线 x−y−2=0 的最短距离。
参考答案
条件极值最短距离抛物线直线
- 设抛物线上点 (x,y) 满足 y=x2,到直线距离 d=2∣x−y−2∣
- 最小化 f=(x−y−2)2,约束 y−x2=0
- L=(x−y−2)2+λ(y−x2)
- Lx=2(x−y−2)−2λx=0,Ly=−2(x−y−2)+λ=0
- 由 Ly=0:λ=2(x−y−2),代入 Lx=0:2(x−y−2)−4x(x−y−2)=0
- 若 x−y−2=0:1−2x=0,x=21,y=41
- 最短距离 d=2∣21−41−2∣=427=872
答案:最短距离为 872。
练习2
将周长为 2p 的矩形绕其一边旋转,求所得圆柱体体积的最大值。
参考答案
条件极值旋转体最大体积应用
- 设矩形两边为 x,y,2(x+y)=2p 即 x+y=p
- 绕边长为 x 的边旋转,圆柱体体积 V=πy2x(y 为底半径,x 为高)
- L=πxy2+λ(x+y−p)
- Lx=πy2+λ=0,Ly=2πxy+λ=0
- πy2=2πxy,即 y=2x(y=0)
- 代入 x+y=p:3x=p,x=3p,y=32p
- 最大体积 V=π⋅3p⋅(32p)2=274πp3
答案:最大体积为 274πp3(当矩形两边为 3p 和 32p,绕短边旋转时)。
总结
本文出现的符号
| 符号 | 类型 | 读音/说明 | 在本文中的含义 |
|---|
| V | 体积 | volume | 几何体的体积 |
| C | 成本 | cost | 生产成本函数 |
| U | 势能 | potential energy | 势能函数 |
| d | 距离 | distance | 点到直线/曲线的距离 |
中英对照
| 中文术语 | 英文术语 | 音标 |
|---|
| 最优生产计划 | optimal production plan | /ˈɒptɪməl prəˈdʌkʃən plæn/ |
| 成本最小化 | cost minimization | /kɒst ˌmɪnɪmaɪˈzeɪʃən/ |
| 平衡位置 | equilibrium position | /ˌiːkwɪˈlɪbriəm pəˈzɪʃən/ |
| 势能最小化 | potential energy minimization | /pəˈtɛnʃəl ˈɛnərdʒi ˌmɪnɪmaɪˈzeɪʃən/ |
| 最短距离 | shortest distance | /ˈʃɔːrtɪst ˈdɪstəns/ |
| 旋转体 | solid of revolution | /ˈsɒlɪd əv ˌrɛvəˈluːʃən/ |
| 内接长方体 | inscribed rectangular box | /ɪnˈskraɪbd rɛkˈtæŋɡjələr bɒks/ |
| 最优设计 | optimal design | /ˈɒptɪməl dɪˈzaɪn/ |