极值的计算与应用
闭区域上的最大值与最小值
定理1
设函数 在有界闭区域 上连续,则 在 上必有最大值和最小值。求法:
- 求出 在 内部的所有驻点和偏导数不存在的点,计算函数值。
- 求出 在 的边界上的最大值和最小值。
- 比较上述所有函数值,最大者为最大值,最小者为最小值。
几何解释
推论
证明
符号说明
实际问题中的简化:在实际问题中,如果根据问题性质可以判断函数的最大值(或最小值)一定在区域内部取得,且函数在区域内只有一个驻点,则该驻点处的函数值就是所求的最大值(或最小值),无需再与边界比较。
典型应用题
例题1:无盖水箱的最大容积
某厂要用铁板做一个体积为 的有盖长方体水箱,问怎样选择尺寸才能使所用材料最省?
参考答案(4 个标签)
极值应用最值长方体材料最省
- 设水箱长、宽、高分别为 ,体积 ,表面积
- 由 ,得 ()
- ,
- 令 :,
- 代入得 ,即 ,
- 同理 ,
- 由实际意义,表面积最小值存在且唯一,故当长=宽=高= 时材料最省。
答案:当水箱为边长 的正方体时,所用材料最省。
例题2:最大内接长方体
求内接于椭球面 的最大长方体的体积(长方体的各面平行于坐标面)。
参考答案(4 个标签)
极值应用椭球面内接长方体最值
- 设长方体在第一卦限的顶点为 ,则体积
- 由椭球面方程,
- 为方便计算,最大化
- 令 ,最大化
- ,
- 令 ,解得
- 最大体积
答案:最大体积为 。
例题3:最小二乘法
已知一组数据 (),求直线 使得误差平方和 最小。
参考答案(4 个标签)
极值应用最小二乘法线性回归最值
- ,
- 令偏导数为零:
- 解得:
- 黑塞矩阵 ,当 不全相等时正定,故为最小值点。
答案:最小二乘直线的斜率和截距由上述公式给出,这就是线性回归的正规方程。
例题4:闭区域上的最值
求 在矩形区域 上的最大值和最小值。
参考答案(4 个标签)
最值闭区域边界矩形
- 内部驻点:,令为零得 ,
- 边界 ():,最小值 ,最大值
- 边界 ():,最小值 ,最大值
- 边界 ():,最小值 ,最大值
- 边界 ():,最小值 ,最大值
- 比较所有值:最大值为 (在 处),最小值为 (在 和 处)
答案:最大值为 ,最小值为 。
练习题
练习1
要造一个容积为 的圆柱形无盖容器,问底半径和高各为多少时用料最省?
参考答案(4 个标签)
极值应用圆柱体最值材料最省
- 设底半径 ,高 ,体积 ,表面积
- ,
- ,令 :,
- ,故为最小值
答案:当底半径 ,高 (即高等于底半径)时用料最省。
练习2
求函数 在圆域 上的最大值和最小值。
参考答案(4 个标签)
最值闭区域圆域边界
- 内部驻点:,驻点 ,
- 边界 :令 ,
- 边界上最大值为 (),最小值为 ()
- 比较得:最大值 ,最小值
答案:最大值为 (在 和 处),最小值为 (在 和 处)。
总结
本文出现的符号
| 符号 | 类型 | 读音/说明 | 在本文中的含义 |
|---|---|---|---|
| 区域 | domain | 有界闭区域 | |
| 体积 | volume | 几何体的体积 | |
| 表面积/误差平方和 | surface / sum | 表面积或误差平方和 | |
| 数据点数 | number of data points | 最小二乘法中的数据量 |
中英对照
| 中文术语 | 英文术语 | 音标 |
|---|---|---|
| 最大值 | maximum | /ˈmæksɪməm/ |
| 最小值 | minimum | /ˈmɪnɪməm/ |
| 有界闭区域 | bounded closed region | /ˈbaʊndɪd kloʊzd ˈriːdʒən/ |
| 边界 | boundary | /ˈbaʊndəri/ |
| 最小二乘法 | least squares method | /liːst skweərz ˈmɛθəd/ |
| 线性回归 | linear regression | /ˈlɪniər rɪˈɡrɛʃən/ |
| 正规方程 | normal equations | /ˈnɔːrməl ɪˈkweɪʒənz/ |
| 最优化 | optimization | /ˌɒptɪmaɪˈzeɪʃən/ |
| 目标函数 | objective function | /əbˈdʒɛktɪv ˈfʌŋkʃən/ |
| 约束条件 | constraint | /kənˈstreɪnt/ |
