Экстремум функции двух переменных
Понятие максимум, минимум, экстремум функции двух переменных аналогичны соответствующим понятиям функции одной независимой переменной. Пусть функция определена в некоторой области
, точка
.
Определение 2.1. Точка называется точкой максимума
, если существует такая
-окрестность точки
, что для каждой точки
, отличной от
, из этой окрестности выполняется неравенство
.
Определение 2.2. Точка называется точкой минимума
, если существует такая
-окрестность точки
, что для каждой точки
, отличной от
, из этой окрестности выполняется неравенство
.
Значение функции в точке максимум (минимум) называется максимум (минимум) функции. Максимум и минимум функции называют ее экстремумами.
Отметим, что, в силу определения, точка экстремума лежит внутри области определения функции; максимум и минимум имеют локальный (местный) характер; значение функции в точке сравнивается с ее значениями в точках, достаточно близких к
. В области
функция может иметь несколько экстремумов или не иметь ни одного.
Рассмотрим условия существования экстремума функции (примем без доказательства).
Теорема 2.1 (необходимое условие экстремума). Если точка является точкой экстремума функции
, то
или хотя бы одна из этих производных не существует.
Эта теорема не является достаточной для исследования вопроса об экстремальных значениях функции, но позволяет находить эти значения в тех случаях, в которых заранее уверены в существовании максимума или минимума. В противном случае требуется дополнительное исследование.
Например, функция имеет частные производные
, которые обращаются в нуль при
. Но эта функция при указанных значениях не имеет ни максимума, ни минимума. Действительно, эта функция равна нулю в начале координат и принимает в как угодно близких точках от начала координат как положительные, так и отрицательные значения. Следовательно, значение нуль не является ни максимумом, ни минимумом.
Например, функция имеет экстремум в точке
, но не имеет в этой точке частных производных.
Определение 2.3. Точки, в которых хотя бы одна частная производная равна нулю или не существует, то такие точки называются критическими точками.
Если речь идет о точках, в которых частные производные первого порядка равны нулю, то такие точки называются стационарными точками.
Для исследования функции в критических точках сформулируем достаточное условие экстремума функции двух переменных. Следующую теорему примем без доказательства.
Теорема 2.2 (достаточное условие экстремума). Пусть функция имеет непрерывные частные производные до третьего порядка включительно в некоторой области, содержащей стационарную точку
. Вычислим в точке
значения
. Обозначим
.
Тогда:
1. если , то функция
имеет экстремум в точке
:
§ максимум, если ;
§ минимум, если ;
2. если , то функция
не имеет экстремума в точке
;
3. если , то экстремум в точке
может быть, а может и не быть. Необходимы дополнительные исследования.
Пример 2.1. Найти экстремум функции .
Решение. 1) Найдем частные производные первого порядка:
.
Чтобы найти стационарные (критические) точки, составляем и решаем систему уравнений:
Û
или
.
Таким образом, получаем две стационарные точки и
.
2) Находим частные производные второго порядка:
.
3) Исследуем характер каждой стационарной точки.
а) В точке имеем
Тогда
.
Так как , то в точке
функция имеет локальный максимум.
.
б) В точке имеем
.
Тогда . Проведем дополнительное исследование. Значение функции в точке
равно нулю, т.е.
. Можно заметить, что
при
;
при
. Значит, в окрестности точки
функция принимает как отрицательные, так и положительные значения. Следовательно, в точке
функция экстремума не имеет.
,