二元连续函数在有界闭区域上的最值研究_毕业论文.doc
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1、二元连续函数在有界闭区域上的最值研究_毕业论文楚雄师范学院毕业论文(设计) 楚 雄 师 范 学 院 本 科 生 毕 业 论 文 题 目:二元连续函数在有界闭区域上的最值研究 系 (院): 数学系 专 业: 数学与应用数学 姓 名: 韩金伟 学 号: 20091021135 指导教师: 黄英 职称: 副教授 论文字数: 5000字左右 完成日期: 2013 年 5 月 教务处抑制 I 楚雄师范学院毕业论文(设计) 目 录 摘要:. II 关键词: . II Abstract: . III Keywords: . III 1、 引言 .1 2、 二元连续函数在有界闭区域上的最值研究 .1 一、二元
2、连续函数在二次封闭曲线所围成的闭区域上的最值 .1 (一)二元连续函数在圆域上的最值 .1 (二)二元连续函数在椭圆域上的最值.4 二、二元连续函数在多边形区域上的最值 .6 三、二元连续函数在其他图形所围成的闭区域上的最值 .8 (一)二元连续函数在扇形区域上的最值 .8 (二)二元连续函数在曲边梯形区域上的最值 . 10 . 13 参考文献 .致谢 . 14 I 楚雄师范学院毕业论文(设计) 二元连续函数在有界闭区域上的最值研究 摘要:本文主要对二元连续函数在二次曲线围成的封闭区域,多边形区域和一些特殊图形围成的封闭区域上的最值进行了研究. 关键词:二元函数;最值;闭区域;有界;圆域;椭圆
3、域;扇形域 II 楚雄师范学院毕业论文(设计) Continuous functions of two variables in the study region on the closed boundary value Abstract: This article mainly for bivariate continuous function form a closed curve of the second region, form a closed polygon area and a number of special graphics on the regional studies
4、 with the most value. Keywords:The binary function;Best value;Closed areas;Bounded;Circular domain;Elliptical domain;Fan-shaped domain III 楚雄师范学院毕业论文(设计) 1、引言 我们可以把二元函数看成是一元函数的一个推广,但是二元函数的最值问题却与一元函数的最值问题大有不同. 首先,二元函数的定义域是平面点集,或是平面点集的子集,故二元函数f(x,y)的定义域和自变量要比一元函数要复杂的多;其次,二元函数的最值可能出现在边界f(x,y)f(x)曲线上,所以
5、二元函数的最值问题要比一元函数的最值问题更加复杂. 二元函数的最值问题是高等数学的常见问题. 但现有的材料和相关论文却相对很少,针对这一现状我们对二元连续函数在有界闭区域上的最值问题展开了相应的研究,在不同的区域内二元连续函数的最值情况也是多种多样的,所以对二元连续函数在有界闭区域上的最值问题进行研究也就成为了一个非常有意义的研究性问题之一. 2、二元连续函数在有界闭区域上的最值研究 一、二元连续函数在二次封闭曲线所围成的闭区域上的最值 (一)二元连续函数在圆域上的最值 222如何求二元连续函数在圆域上的最值,我们Z,f(x,y)D,(x,y)|(x,a),(y,b),r分两步处理,先求它在圆
6、域内可能出现的最值,再求它在圆域边界上可能出现的最值. 首先我们对二元函数求一阶偏导数,令 Z,f(x,y),(,),0,Zfxy,xx ,222Z,f(x,y),0,其中(x,y)|(x,a),(y,b),r,yy,p(x,y)(i,1,2,3,?)p(x,y)(i,1,2,3,?)求出函数的驻点,因为不一定都是二元函数的极值点,iiiiiiB,Z,f(x,y)C,Z,f(x,y)所以还要对驻点进行判别,令A,Z,f(x,y),.当xyxyiiyyyyiixxxxii2B,AC,0p(x,y)(i,1,2,3,?)f(x,y)时,是二元函数的极值点,所以它可能是最值点;当ii2B,AC,0p
7、(x,y)(i,1,2,3,?)f(x,y)时,不能判定是否是二元函数的极值点,它也可能是最ii2B,AC,0p(x,y)(i,1,2,3,?)f(x,y)值点;当时,不是二元函数的极值点,也就不可能是最值ii10,16,172.B,AC,0Z,f(x,y)点再将满足条件的的驻点代入到中求出相应的函数值 Z,f(x,y)(i,1,2,3,?). (1) iii1 楚雄师范学院毕业论文(设计) 求函数在圆域边界上的函数值,我们可用两种方法来求解.第一种方法是拉格朗日乘数法,引f(x,y)222入拉格朗日函数,对函数求一阶偏导数之l,f(x,y),(x,a),(y,b),r,x,a,r,a,r后,
8、令 ,lfxyxa,(,),2,2,0,xx, l,f(x,y),2y,2b,0,yy222,lxaybr,(,),(,),0,求解方程组可得到圆域边界上的极值点M(x,y)(j,1,2,3,?),代入到中求得圆域边Z,f(x,y)jjj界上的函数值 (2) Z,f(x,y)(j,1,2,3,?).jjj综合圆域内的函数值(1)和圆域边界上的函数值(2),通过比较函数值的大小找出二元连续函数在圆域上的最大值和最小值. 222 求圆周曲线上可能出现的最值点,我们还可以用转换法求解,将圆方程(x,a),(y,b),r22变形为,把它代入到中,可以得到相应的一个一元函数Z,f(x,y)y,r,(x,
9、a),b22Z,f(x,r,(x,a),b),x,a,r,a,r,通过求这个一元函数的极值点,从而可得到函数在圆域边界上可能出现的最值点,进而求得相应的函数值 Z,f(x,y)22Z,f(x,r,(x,a),b)(k,1,2,3,?), (3) kkk22Z,f(x,r,(x,a),b),x,a,r,a,r再求的端点值 Z,f(a,r,,b)Z,f(a,r,b) ,. (4) k1k2最后通过比较所得函数值(1),(3)和(4)的大小找出二元连续函数在圆域上的最大值和最小值. 222222例1 求二元函数在有界闭区域D,(x,y)|x,y,4上的f(x,y),x,2y,xy,6最值. 解 由
10、2,f(x,y),2x,2xy,0,x ,222f(x,y),4y,2xy,0,其中(x,y)|x,y,4,y,f(x,y)p(2,-1)p(0,0)知二元函数的驻点为,.再进一步p(2,1)p(,2,1)p(,2,1)531242 楚雄师范学院毕业论文(设计) 22求出,.当驻点为B,f(x,y),4xyC,f(x,y),4,2xA,f(x,y),2,2yp(2,1)xyyyxx12时,所以驻点不是二元函数的极值点(即不是最值点),故舍去.B,AC,24,0f(x,y)p(2,1)12同理,当驻点为,时,都分别求得,所以驻点B,AC,24,0p(2,1)p(,2,1)p(,2,1)324,都
11、不是二元函数的极值点(即不是最值点),故全部f(x,y)p(2,1)p(,2,1)p(,2,1)3242舍去.当驻点为时,所以驻点是函数的极值点,代入可B,AC,8,0p(0,0)p(0,0)f(x,y)5522得函数值.对于二元函数在圆周曲线上的最值,我们分别用两种方法f(x,y)f(0,0),6x,y,4讨论. 2222221) 拉格朗日乘数法.设,对它求一阶偏数之后,l,x,2y,xy,6,,(x,y,4),x,2,2令 2,lxxyx,2,2,2,0,x,2 lyxyy,4,2,2,0,y22,lxy,,,4,0,535353M(,)M(,)M(,)求解上述方程组可得到圆域边界上的极值
12、点有, 12322222253M(,)f(x,y),将它们分别代入到二元函数中,可求得圆域边界上可能的最值有4225331533153315331f,f(,),f,f(,),(,)(,),.又由1234224224224224M(0,2)M(0,2)M(2,0)M(,2,0)可知,也是可能的最值点,分别代入到x,2,2f(x,y)5678f(0,2),14f(0,2),14f(2,0),10f(,2,0),10中求得可能的最值有,.综合上述圆域内567831106f(x,y)和圆域边界上所得出的最值有,和14,通过比较最值的大小可得到二元连续函数46在圆域上的最大值为,最小值为. 1422f(
13、x,y)2) 转换法.将圆方程转化为,把它代入到二元函数中,得到一个一元y,4,x,x,2,24233函数,对它求一阶导数可得,令,求解f(x),x,5x,14f(x),4x,10xf(x),4x,10x,055x,x,x,0f(x)方程可得一元函数的极值点有,和,将它们分别代入到一元函数231223 楚雄师范学院毕业论文(设计) 531531f(),f(,),中,求得圆域边界上的函数值为,.再求得曲线端点处f(x)f(0),142424316的函数值为,.综合上述圆域内的函数值和圆域边界上的函数值有,f(,2),10f(2),101446和,通过比较函数值的大小可以得到二元函数在圆域上的最大
14、值为,最小值为. f(x,y)1014(二)二元连续函数在椭圆域上的最值 22xy 求二元连续函数在椭圆域上的最值,我们可以分为椭圆Z,f(x,y)D,(x,y)|,,122ab域内的函数最值和椭圆域边界上的函数最值两部分进行求解. 首先对二元连续函数求一阶偏导数,令 Z,f(x,y),Zfxy,(,),0,xx,22xy, Zfxyxy,(,),0,其中(,)|,,1yy22,ab,求解方程组可得函数的驻点p(x,y)(i,1,2,3,?),因为驻点p(x,y)(i,1,2,3,?)不一f(x,y)iiiiiiB,Z,f(x,y)定都是的极值点,所以还要对驻点进行判别,令, f(x,y)A,
15、Z,f(x,y)xyxyiixxxxii2C,Z,f(x,y)B,AC,0.同在圆域内的判别方法一样,将的驻点代入到中求Z,f(x,y)yyyyii出相应的函数值 Z,f(x,y)(i,1,2,3,?). (5) iii对于二元函数在椭圆域边界上的最值,我们同样可以用两种方法来进行讨论.方法一:拉格朗日22xyl,f(x,y),(,,1),x,a,a乘数法.令,对它求一阶偏导数之后,令 22ab,2x,l,f(x,y),,0,xx2,a,2y,l,f(x,y),,0, ,yy2b,22xy,l,,,1,0,22,ab,M(x,y)(j,1,2,3,?)Z,f(x,y)解方程组可得到椭圆域边界上
16、的极值点,代入函数中,求得椭jjj圆域边界上的函数值 4 楚雄师范学院毕业论文(设计) (6) Z,f(x,y)(j,1,2,3,?).jjj综合上述得出椭圆域内的函数值(4)和椭圆域边界上的函数值(5),通过比较所得函数值的大小可得到二元函数在椭圆域上的最大值和最小值. f(x,y)2222bxxy2y,b, 方法二:转换法.将椭圆方程,,1,x,a,a,变形为,代入到二元函222aab22bx2数中,可得到一个一元函数,对这个一元函数求极Z,f(x,b,),x,a,aZ,f(x,y)2a值(即二元函数在椭圆域边界上可能的函数值)得 f(x,y)22bx2k (7) Z,f(x,b,)(k,
17、1,2,3,?).kk2a22bx2Z,f(x,b,),x,a,a再求出的端点值 2a, (8) Z,f(a,0)Z,f(a,0)k1k2综合上述椭圆域内的函数值(5)和椭圆域边界上的函数值(7)与(8),通过比较所得函数值的大小可得到二元函数在椭圆域上的最大值和最小值. 22xy22D,(x,y)|,,1例2 求二元函数在椭圆区域上的最大值和最f(x,y),x,y,294小值. 解 由 ,fxyx(,),2,0,x,22 xy,fxyyxy(,),2,0,其中(,)|,,1y22,ab,B,f(x,y),0C,f(x,y),2f(x,y)p(0,0)A,f(x,y),2可得唯一的驻点,再求出
18、,.xyyyxx2B,AC,4,0p(0,0)p(0,0)f(x,y)因为当驻点为时,所以驻点不是二元连续函数的极值点,f(x,y)也就不是最值点,故舍去.对于二元函数在椭圆域边界上的最值,我们可用两种方法来求解. 22xy22l,x,y,2,(,,1),x,3,3,1)拉格朗日乘数法.设,先对它求一阶偏导数,再令 945 楚雄师范学院毕业论文(设计) 2,2,,0,lxxx,9,1,2,,0, lyy ,y2,22xy,,,1,0,l,94,由方程组可得到椭圆域边界上可能的最值点有,.将它们M(3,0)M(0,2)M(0,2)M(,3,0)3124分别代入到二元函数中,可求得相应的函数值,
19、f(x,y)f(3,0),11f(0,2),2f(0,2),2312.综合上述两种情况得出的函数值有和,通过比较函数值的大小可得到函数f(,3,0),1111,24在椭圆域边界上的最大值为,最小值为. f(x,y)11,24222)转换法.将椭圆方程转化为,代入到函数中,可得到一个一元函f(x,y)y,4,x,x,3,391326262Z,f(x),x,2,x,3,3数,对它求一阶导数可得,令,Z,f(x),xf(x),x,0999求解方程可得一元函数的极值点,代入到函数中,得到最值.再求得曲线f(x)f(x)f(0),2x,0的上下界函数值,.综合上述所得椭圆域内的函数值和椭圆域边界上的函数
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