Уравнением в полных дифференциалах называется уравнение вида
M(x,y)dx + N(x,y)dy = 0)
левая часть которого является полным дифференциалом некоторой функции
U(x,y), то есть dU(x,y) = M(x,y)dx + N(x,y)dy.
Напомним, что полный диференциал функции U находится по формуле
Условие проверки уравнения на соответствие полному дифференциалу имеет вид
(1)
Уравнение сводные к ДР в полных дифференциалах
В некоторых случаях зависимость
M(x,y)dx + N(x,y)dy = 0
не является уравнением в полных дифференциалах, не выполняется условие (1). Однако существует функция «мю» 
такова, что если на нее умножить первоначальное уравнение 
то получим уравнением в полных дифференциалах.
Необходимым и достаточным условием этого является равенство между собой частных производных
Функция «мю» называют интегрирующим множителем.
Таким образом кроме ДУ относительно функции u(x,y) на практике приходится решать дифференциальное уравнение в частных производных относительно интегрирующего множителя.
Но до сих пор остается открытым вопрос, как искать интегрирующий множитель?
Как найти интегрирующий множитель?
В теории обычно методика уже разработана и интегрирующий множитель следует искать в виде
где «омега» 
— известная функция одной или двоих переменных.
В этом случае получаем
После подстановки в условие полного дифференциала получим
Разделим переменные в последней строке
Проинтегрировав и положив постоянную интегрирования равной нулю находим интегрирующий множитель
Рассмотрим частные случаи.
1) Пусть «омега» равна аргументу. Тогда некоторые частные производные равны нулю, а интегрирующий множитель находят по формуле
2) Если «омега» ровна y то формула вычисления интегрирующего множителя имеет вид
3) В случае когда «омега» равна сумме или разности квадратов переменных интегрирующий множитель находим по формуле
4) И вариант когда имеем произведение переменных дает следующую зависимость для определения мю
Вывод формулы интегрирующего множителя без практики Вас ничего не научит, поэтому рассмотрим задачи из контрольной работы на которых Вы увидите суть всех приведенных выше формул. Примеры задавали во Львовском национальном университете им. И. Франка .
Уравнение в полных дифференциалах. Задача Коши.
Пример 1. Решить дифференциальное уравнение и задачу Коши
Решение: Выпишем множители при дифференциалах
и проверим выполняется ли условие полного дифференциала функции двух переменных
Как видим, левая часть уравнения не является полным дифференциалом (условие не выполняется). Проверим допускает ли дифференциальное уравнение интегрирующий множитель
С правой стороны видим, что данное уравнение допускает множитель интегрирования, причем он зависит только от y.
Найдем интегрирующий множитель из дифференциального уравнения с отделенными переменными
После умножения всех членов уравнения на найденный интегрирующий множитель «мю» (
) получим Ду первого порядка
Если вновь проверить ДУ, то тепер условие на полный дифференциал некоторой функции выполняется
Далее будем решать полученное ДУ, как в случае обычного полного дифференциала. Проинтегрируем второе слагаемое по y
Запомните правило — если интегрирования идет по y, то сталая зависит от «икса», и наоборот.
Сталую которая входит в уравнения определяют вычислением частичной производной найденного решение по «икс» и приравниванием до множителя в ДУ при dx.
Отсюда находим постоянную
Учитывая все вышеизложенное, записываем общий интеграл дифференциального уравнения
В задании необходимо найти частичное решение (задачу Коши). Для этого записываем дополнительное условие на функцию и определяем сталую
Отсюда имеем частичное решение дифференциального уравнения
Оно пока записано в неявной форме, однако в этом случае можем найти зависимость функции от переменной y(x):
— частичное решение дифференциального уравнения.
Пример 2.Найти решение задачи Коши
Решение: Записываем заданное дифференциальное уравнение первого порядка в дифференциалах
Далее проверим имеем ли полный дифференциал, выписываем множители
и находим частные производные
Условие на полный дифференциал не выполняется.
Проверим не допускает это уравнение интегрирующего множителя
Видим что данное уравнение допускает интегрирующий множитель который зависит только от y. Найдем его интегрированием уравнения
После умножения всех членов уравнения на найденный интегрирующий множитель исходное ДУ преобразуется к виду
что соответствует уравнению в полных дифференциалах
Как решить такое уравнение Вы уже знаете, поэтому переходим к интегрированию для простоты второго доданка (возле dx)
Чтобы определить постоянную — ищем частную производную функции u по «икс» и приравниваем ко второму множителя в полном дифференциале
На этот раз сталая функции не ровна константе и для ее установки нужно найти несколько интегралов
Общий интеграл дифференциального уравнения при подстановке C(x) примет вид
Решим задачу Коши для ДУ
Отсюда имеем
— частичное решение дифференциального уравнения.
Условный экстремум
4 раздела
от теории до практики
2 примера
Примеры решения задач
видео
Примеры решения задач
-
Понятие условного экстремума.
Начать изучение
-
Прямой метод отыскания точек условного экстремума.
Начать изучение
-
Метод множителей Лагранжа.
Начать изучение
-
Несколько замечаний о методе множителей Лагранжа.
Начать изучение
Понятие условного экстремума.
Пусть на открытом множестве (G subset boldsymbol{R}^{n}) заданы функции (f_{0}(x)), (f_{1}(x), ldots, f_{m}(x)), причем (m < n), и пусть (E) — множество точек множества (G), удовлетворяющих системе уравнений
$$
f_{1}(x) = 0, ldots, f_{m}(x) = 0.label{ref1}
$$
Уравнения eqref{ref1} будем называть уравнениями связей (или просто связями).
Определение 1.
Точка (x^{0} = (x_{1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) in G) называется точкой условного минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}, если найдется такая окрестность (S_{delta}(x^{0})), что для всех (x in G cap S_{delta}(x^{0})) выполнено неравенство (f_{0}(x) geq f_{0}(x^{0})).
Определение 2.
Точка (x^{0} in G) называется точкой строгого условного минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}, если найдется такая окрестность (S_{delta}(x^{0})), что для всех (x in dot{S}_{delta}(x^{0}) cap G) выполнено неравенство (f_{0}(x) geq f_{0}(x^{0})).
Аналогично определяются точки условного максимума. Точки условного максимума и минимума называются точками условного экстремума.
Прямой метод отыскания точек условного экстремума.
Предположим, что из системы уравнений eqref{ref1} можно выразить какие-либо (m) переменных (x_{i}) через остальные переменные. Тогда, подставив вместо соответствующих переменных (x_{i}) их выражения через остальные (n-m) переменных в функцию (f_{0}(x)), получим функцию (F) от (n-m) переменных.
Задача о нахождении точек экстремума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1} сведется к задаче нахождения обычного (безусловного) экстремума функции (F), зависящей от (n-m) переменных.
Пример 1.
Найти точки условного экстремума функции (z = 1-x^{2}-y^{2}), если (x+y = 1).
Решение.
(vartriangle) Уравнение связи (x+y = 1) легко разрешается относительно переменной (y), а именно (y = 1-x). Подставив это выражение для (y) в функцию (z = 1-x^{2}-y^{2}), получаем, что (z = 1-x^{2}-(1-x)^{2} = 2x-2x^{2}). Функция (2x-2x^{2}) имеет максимум при (x = frac{1}{2}). Точка ((frac{1}{2}, frac{1}{2})) является точкой условного максимума функции (z(x, y)) при наличии связи (x+y = 1), причем (z_{max} = displaystylefrac{1}{2}). (blacktriangle)
Замечание 1.
Прямой метод нахождения условного экстремума редко бывает эффективным ввиду трудности разрешения уравнений связей относительно какой-либо группы переменных.
Метод множителей Лагранжа.
Определение 3.
Рассмотрим функцию (n+m) переменных
$$
L(x, lambda) = f_{0}(x)+lambda_{1}f_{1}(x)+ldots+lambda_{m}f_{m}(x),nonumber
$$
где (x in G), а (lambda = (lambda_{1}, ldots, lambda_{m}) in boldsymbol{R}^{m}). Числа (lambda_{1}, ldots, lambda_{m}) называются множителями Лагранжа, а функция (L(x, lambda)) называется функцией Лагранжа.
Будем говорить, что ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа, если
$$
begin{array}{cc}
& displaystylefrac{partial L}{partial x_{1}} (x^{0}, lambda^{0}) = 0, ldots, frac{partial L}{partial x_{n}} (x^{0}, lambda^{0}) = 0\
&\
& displaystylefrac{partial L}{partial lambda_{1}} (x^{0}, lambda^{0}) = f_{1}(x^{0}) = 0, ldots, frac{partial L}{partial lambda_{m}} (x^{0}, lambda^{0}) = f_{m}(x^{0}) = 0.
end{array}label{ref2}
$$
Теорема 1.
(Теорема Лагранжа).
Пусть (x^{0}) — точка условного экстремума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}, и пусть функции (f_{i}(x)), (i = overline{0, m}), непрерывно дифференцируемы в окрестности точки (x^{0}), причем в точке (x^{0}) ранг матрицы Якоби
$$
A = begin{pmatrix}displaystylefrac{partial f_{1}}{partial x_{1}}(x)&ldots&displaystylefrac{partial f_{1}}{partial x_{n}}(x)\………&…..&…….\displaystylefrac{partial f_{m}}{partial x_{1}}(x)&ldots&displaystylefrac{partial f_{m}}{partial x_{n}}(x)end{pmatrix}label{ref3}
$$
равен (m).
Тогда найдутся такие множители Лагранжа (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}), что ((x^0, lambda^0)) будет стационарной точкой функции Лагранжа.
Доказательство.
(circ) Так как (m < n), а ранг матрицы Якоби в точке (x^{0}) равен (m), то хотя бы один из миноров этой матрицы порядка (m) отличен от нуля.
Без ограничения общности можно считать, что
$$
begin{vmatrix}displaystylefrac{partial f_{1}}{partial x_{1}}(x^{0})&ldots&displaystylefrac{partial f_{1}}{partial x_{m}}(x^{0})\………&…..&…….\displaystylefrac{partial f_{m}}{partial x_{1}}(x^{0})&ldots&displaystylefrac{partial f_{m}}{partial x_{m}}(x^{0})end{vmatrix} neq 0,label{ref4}
$$
так как выполнения условия eqref{ref4} всегда можно добиться, перенумеровывая переменные и уравнения связей в нужном порядке.
Пусть (x^{0}) есть точка условного минимума функции (f_{0}(x)). Тогда существует окрестность (K'(x^{0}) = K’_{1}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0}) times K’_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) такая, что
$$
f_{0}(x)-f_{0}(x^{0}) geq 0 mbox{при всех} x in E cap K’ (x^{0}).label{ref5}
$$
В силу непрерывности частных производных и выполнения условия eqref{ref4} можно применить теорему о неявных функциях. В силу этой теоремы найдется такая окрестность
$$
K(x^{0}) = K_{1}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0}) times K_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) subset K'(x^{0}),nonumber
$$
в которой система уравнений связей eqref{ref1} определяет переменные (x_{1}, ldots, x_{m}) как неявные функции переменных (x_{m+1}, ldots, x_{m}). Это означает, что найдется единственный набор непрерывно дифференцируемых в окрестности (K’_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) функций (varphi_{i}(x_{m+1}, ldots, x_{n})), (i = overline{1, m}), таких, что
$$
varphi_{i}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{m}^{0}) = x_{i}^{0}, i = overline{1, m};label{ref6}
$$
$$
f_{i}(varphi_{1}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), ldots, varphi_{m}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), x_{m+1}, ldots, x_{n}) equiv 0,label{ref7}
$$
$$
(varphi_{1}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), ldots, varphi_{m}(x_{m+1}, ldots, x_{n})) in K_{1}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0})nonumber
$$
при ((x_{m+1}, ldots, x_{n}) in K_{2}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0})), (i = overline{1, m}).
Другими словами, множество (E cap K(x^{0})) можно задать следующим образом:
$$
begin{array}{cc}
& E cap K(x^{0}) = {x: x = (x_{1}, ldots, x_{n}), (x_{m+1}, ldots, x_{n}) in K_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}),\
& \
& x_{i} = varphi_{i}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), i = overline{1, m}}.
end{array}label{ref8}
$$
Так как (K(x^{0}) subset K'(x^{0})), то из неравенства eqref{ref5} следует, что функция (f_{0}(x)) принимает на множестве (E cap K(x^{0})) наименьшее значение в точке (x^{0}). Если взять представление множества (E cap K(x^{0})) в виде eqref{ref8}, то сложная функция
$$
F(x_{m+1}, ldots, x_{n}) = f_{0}(varphi_{1}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), ldots, varphi_{m}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), x_{m+1}, ldots, x_{n})label{ref9}
$$
определена в окрестности (K_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) и принимает в этой окрестности наименьшее значение в точке ((x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})). Следовательно, в силу необходимых условий экстремума должно выполняться равенство (dF(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) = 0). Воспользовавшись инвариантностью формы первого дифференциала и равенством eqref{ref9}, получаем, что
$$
sum_{k=1}^{n} frac{partial f_{0}(x^{0})}{partial x_{k}} dx_{k} = 0.label{ref10}
$$
В равенстве eqref{ref10} (dx_{m+1}, ldots, dx_{n}) есть дифференциалы независимых переменных, a (dx_{1}, ldots, dx_{n}) — дифференциалы функций (varphi_{i}, ldots, varphi_{m}), зависящих от (x_{m+1}, ldots, x_{n}). Для краткости будем говорить о независимых и зависимых дифференциалах.
Найдем связи между зависимыми и независимыми дифференциалами. Дифференцируя тождества eqref{ref7} в точке ((x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) и пользуясь инвариантностью формы первого дифференциала, получаем
$$
sum_{k=1}^{n} frac{partial f_{i}(x^{0})}{partial x_{k}} dx_{k} = 0, i = overline{1, m}.label{ref11}
$$
Умножая равенства eqref{ref11} на множители (lambda_{i}) и складывая полученные равенства с равенством eqref{ref10}, находим
$$
0 = sum_{k=1}^{n} left(frac{partial f_{0}}{partial x_{k}}+sum_{i=1}^{m} frac{partial f_{i}}{partial x_{k}} lambda_{i}right)_{x = x^{0}} dx_{k} = sum_{k=1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda)}{partial x_{k}} dx_{k},label{ref12}
$$
где (L(x^{0}, lambda)) есть функция Лагранжа.
Подберем множители (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}) так, чтобы коэффициенты при зависимых дифференциалах в равенстве eqref{ref12} обратились в нуль, то есть
$$
frac{partial L(x^{0}, lambda)}{partial x_{k}} = frac{partial f_{0}(x^{0})}{partial x_{k}}+sum_{i=1}^{m} lambda_{i}^{0} frac{partial f_{i}(x^0)}{partial x_{k}} = 0, k = overline{1, m}.label{ref13}
$$
Система уравнений eqref{ref13} единственным образом определяет множители (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}), так как ее определитель eqref{ref4} отличен от нуля.
При выполнении условий eqref{ref13} уравнение eqref{ref12} примет вид
$$
sum_{k=m+1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} dx_{k} = 0.label{ref14}
$$
Так как дифференциалы независимых переменных (dx_{m+1}, ldots, dx_{n}), могут принимать любые значения, то из eqref{ref14} следует, что
$$
frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} = 0, k = m+1, ldots, n.label{ref15}
$$
Объединяя равенства eqref{ref13} и eqref{ref15}, получаем
$$
frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} = 0, k = overline{1, n}.nonumber
$$
Так как точка (x^{0} in E) и, следовательно, удовлетворяет уравнениям связей, то
$$
frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial lambda_{j}} = f_{i}(x^{0}) = 0, j = overline{1, m}.nonumber
$$
Таким образом, ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа (L(x, lambda)). (bullet)
Второй дифференциал функции Лагранжа, вычисленный при фиксированных (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}) по переменным ((x_{1}, ldots, x_{n})) в точке ((x_{1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})), будем обозначать через (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})).
Таким образом,
$$
d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) = sum_{k=1}^{n} sum_{j=1}^{n} frac{partial^{2} L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k} partial x_{j}} dx_{k} dx_{j}.label{ref16}
$$
Иногда вместо (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})) будем писать (d^{2}L(x^{0}, lambda^{0})).
Обозначим через (E_{T}) следующее линейное многообразие в (boldsymbol{R}^{n}):
$$
E_{T} = left{xi = (xi_{1}, ldots, xi_{n}) in boldsymbol{R}^{n}: sum_{k=1}^{n} frac{partial f_{i}(x^{0})}{partial x_{k}} xi_{k} = 0, i = overline{1, m}right}.label{ref17}
$$
Равенства eqref{ref11} означают, что (dx = (dx_{1}, ldots, dx_{n}) in E_{T}).
Теорема 2.
Пусть (x^{0}) есть точка условного минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}, и пусть функции (f_{i}(x)), (i = overline{1, m}), имеют непрерывные частные производные второго порядка в окрестности точки (x^{0}), причем в точке (x^{0}) ранг функциональной матрицы eqref{ref3} равен (m).
Тогда найдутся множители Лагранжа (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}) такие, что ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа, a (d^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) geq 0) при ((dx_{1}, ldots, dx_{n}) in E_{T}).
Доказательство.
(circ) Так как выполнены все условия теоремы 1, то найдутся множители Лагранжа (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}) такие, что ((x^{0}, lambda^{0})) будет стационарной точкой функции Лагранжа, то есть выполняются условия eqref{ref2}. Повторяя рассуждения теоремы 1, рассмотрим сложную функцию eqref{ref9}, имеющую безусловный экстремум в точке ((x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})). Так как эта функция имеет непрерывные частные производные второго порядка, то, в силу теоремы о необходимом условии минимума должно быть выполнено условие (d^{2}F(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) geq 0).
Воспользовавшись правилом нахождения второго дифференциала сложной функции и формулой eqref{ref9}, находим, что
$$
sum_{k=1}^{n} sum_{j=1}^{n} frac{partial^{2} f_{0}(x^{0})}{partial x_{k} partial x_{j}} dx_{k} dx_{j}+sum_{k=1}^{n} frac{partial^{2} f_{0}}{partial x_{k}}(x^{0}) d^{2}x_{k} geq 0.label{ref18}
$$
Дифференцируя два раза в точке (x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) тождества eqref{ref7}, получаем равенства
$$
sum_{k=1}^{n} sum_{j=1}^{n} frac{partial^{2} f_{i}(x^{0})}{partial x_{k} partial x_{j}} dx_{k} dx_{j}+sum_{k=1}^{n} frac{partial^{2} f_{i}}{partial x_{k}}(x^{0}) d^{2}x_{k} = 0.label{ref19}
$$
Если умножить каждое из равенств eqref{ref19} на соответствующий множитель Лагранжа (lambda_{i}^{0}) и сложить с неравенством eqref{ref18}, то получаем неравенство
$$
d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})+sum_{k=1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} d^{2}x_{k} geq 0.label{ref20}
$$
Последняя сумма в неравенстве eqref{ref20} равна нулю, так как ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа и в ней выполняются условия eqref{ref2}. Таким образом, (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) geq 0) при ((dx_{1}, ldots, dx_{n}) in E_{T}). (bullet)
Теорема 3.
(Достаточные условия условного экстремума).
Пусть функции (f_{i}(x)), (i = overline{0, m}), имеют непрерывные частные производные второго порядка в окрестности точки (x^{0} in boldsymbol{R}^{n}), причем в точке (x^{0}) ранг функциональной матрицы (3) равен (m), и пусть ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа (L(x, lambda)).
Тогда если (d_{xx}L(x^{0}, lambda^{0})) есть положительно определенная квадратичная форма при (dx in E_{T}), то (x^{0}) является точкой условного строгого минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}. Если (d_{xx}L(x^{0}, lambda^{0})) есть отрицательно определенная квадратичная форма при (dx in E_{T}), то (x^{0}) — точка условного строгого максимума. Если (d_{xx}L(x^{0}, lambda^{0})) есть неопределенная квадратичная форма при (dx in E_{T}), то (x^{0}) не есть точна условного экстремума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}.
Доказательство.
(circ) Пусть
$$
E = {x: f_{i}(x) = 0, i = overline{1, m}}.label{ref21}
$$
По условию теоремы функции (f_{i}(x)), (i = overline{0, m}), имеют непрерывные частные производные второго порядка, а ранг функциональной матрицы eqref{ref3} равен (m). Повторяя рассуждения теоремы 1, можем без ограничения общности считать, что выполнено условие eqref{ref4} и что найдется такая окрестность (K(x^{0}) = K_{1}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0}) times K_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})), что множество (E cap K(x^{0})) можно задать формулой eqref{ref8}. На (E cap K(x^{0})) функция (f_{0}(x)) становится функцией (n-m) переменных (F(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})), определенной формулой eqref{ref9} и имеющей непрерывные частные производные второго порядка.
По условию теоремы ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа, то есть
$$
begin{array}{cc}
& displaystylefrac{partial L}{partial x_{k}} (x^{0}, lambda^{0}) = 0, k = overline{1, n};\
&\
& displaystylefrac{partial L}{partial lambda_{i}} (x^{0}, lambda^{0}) = f_{i}(x^{0}) = 0, i = overline{1, m}.
end{array}label{ref22}
$$
Из формул eqref{ref22} следует, что (x^{0} in E) и что
$$
d_{x}L(x^{0}, lambda^{0}) = sum_{k=1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} d^{2}x_{k} = 0.label{ref23}
$$
Рассмотрим функцию (L(x, lambda^{0})) на множестве (E cap K(x^{0})). Очевидно, что
$$
L(x, lambda^{0}) = f_{0}(x) = F(x_{m+1}, ldots, x_{n}) mbox{при} x in E cap K(x^{0}).label{ref24}
$$
В силу инвариантности формы первого дифференциала из формулы eqref{ref24} следует, что
$$
dF(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) = d_{x}L(x^{0}, lambda^{0}) = 0.label{ref25}
$$
Находя второй дифференциал от обеих частей равенства eqref{ref24} и используя равенства eqref{ref22}, получаем
$$
d^{2}F(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) = sum_{k=1}^{n} sum_{j=1}^{n} frac{partial^{2} L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{j} partial x_{k}} dx_{j} dx_{k}+sum_{k=1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} d^{2}x_{k} = d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}).label{ref26}
$$
Пусть (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) > 0) при (dx in E_{T}), (dx neq 0). Так как множество (E cap K(x^{0})) можно задать в форме eqref{ref8}, то, выбирая (dx_{m+1}, ldots, dx_{n}) произвольным образом, получим, что дифференциалы (dx_{1},…, dx_{m}) зависят от ((dx_{m+1}, ldots, dx_{n})). Дифференцируя тождества eqref{ref7} в точке (x^{0}), получаем соотношения eqref{ref11}, которые означают, что (dx in E_{T}).
Из формулы eqref{ref26} тогда следует, что
$$
d^{2}F(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) > 0 mbox{при} dx_{m+1}^{2}+ldots+dx_{n}^{2} > 0.label{ref27}
$$
Из eqref{ref25} и eqref{ref27} получаем, что ((x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) есть точка строгого минимума функции (F(x_{m+1}, ldots, x_{n})), то есть (x^{0}) есть точка строгого минимума функции (f_{0}(x)) на множестве (E cap K(x^{0})). Таким образом, (x^{0}) есть точка строгого условного минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}.
Аналогично рассматривается случай, когда (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) < 0), (dx in E_{T}), (dx neq 0). Если же (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})) при (dx in E_{T}) есть неопределенная квадратичная форма, то не выполняется условие (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) geq 0) при (dx in E_{T}), являющееся, в силу теоремы 2, необходимым условием минимума. Поэтому (x^{0}) не есть точка условного минимума функции (f_{0}(x)) при связях eqref{ref1}. Аналогично доказывается, что (x^{0}) не может быть точкой условного минимума функции (-f_{0}(x)), а следовательно, и точкой условного максимума функции (f_{0}(x)) при связях eqref{ref1}. (bullet)
Замечание.
Если окажется, что (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})) есть положительно определенная квадратичная форма на всем пространстве (boldsymbol{R}^{n}), то (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) > 0) при (dx in E_{T}), (dx neq 0). Поэтому в этом случае в квадратичной форме (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})) не нужно исключать зависимые дифференциалы.
Пример 1.
Найти экстремумы функции (x-2y+2z = u) и на сфере (x^{2}+y^{2}+z^{2} = 1).
Решение.
(vartriangle) Строим функцию Лагранжа
$$
L(x, y, z, lambda) = x-2y+2z+lambda(x^{2}+y^{2}+x^{2}-1)nonumber
$$
Стационарные точки функции Лагранжа находим, решая систему уравнений
$$
frac{partial L}{partial x} = 1+2lambda x = 0,quad frac{partial L}{partial y} = -2+2lambda y = 0,quad frac{partial L}{partial z} = 2+2lambda z = 0,nonumber
$$
$$
frac{partial L}{partial lambda} = x^{2}+y^{2}+z^{2}-1 = 0.nonumber
$$
Исключая из этой системы (x, y, z), получаем (displaystyleleft(frac{1}{2lambda}right)^{2}+left(frac{1}{lambda}right)^{2}+left(frac{1}{lambda}right)^{2}-1 = 0), откуда (lambda_{1} = displaystylefrac{3}{2}), (lambda_{2} = -displaystylefrac{3}{2}).
У функции Лагранжа есть две стационарные точки,
$$
M_{1} = left(-frac{1}{3}, frac{2}{3}, -frac{2}{3}, frac{3}{2}right)quad mbox{и}quad M_{2} = left(frac{1}{3}, -frac{2}{3}, frac{2}{3}, -frac{3}{2}right).nonumber
$$
Так как (d^{2}L(M_{1}) = 3(dx^{2}+dy^{2}+dz^{2}) > 0), a (d^{2}L(M_{2}) = -3(dx^{2}+dy^{2}+dz^{2}) < 0) при (dx^{2}+dy^{2}+dz^{2} > 0), тo (displaystyleleft(-frac{1}{3}, frac{2}{3}, -frac{2}{3}, frac{3}{2}right)) — точка условного минимума, a (displaystyleleft(frac{1}{3}, -frac{2}{3}, frac{2}{3}, -frac{3}{2}right)) — точка условного максимума функции (u = x-2y+2x) при наличии ограничения (x^{2}+y^{2}+z^{2}-1 = 0), Причем (u_{min} = -3), (u_{max} = 3). (blacktriangle)
Пример 2.
Найти условные экстремумы функции (f_{0}(x, y) = e^{axy}), (a neq 0), при наличии ограничения (f_{i}(x, y) = x^{3}+y^{3}+x+y-4 = 0).
Решение.
(vartriangle) Построим функцию Лагранжа:
$$
L(x, y) = e^{axy}+lambda(x^{3}+y^{3}+x+y-4).nonumber
$$
Стационарные точки функции Лагранжа определяются из системы уравнений
$$
begin{array}{cc}
& displaystylefrac{partial L}{partial x} = aye^{axy}+lambda(3x^{2}+1) = 0,\
&\
& displaystylefrac{partial L}{partial y} = axe^{axy}+lambda(3y^{2}+1) = 0,\
&\
& displaystylefrac{partial L}{partial lambda} = x^{3}+y^{3}+x+y-4 = 0.
end{array}label{ref28}
$$
Умножая первое уравнение на (x), а второе на (y) и вычитая, получаем
$$
lambda(3x^{3}-3y^{3}+x-y) = lambda(x-y)(3x^{2}+3xy+3y^{2}+1) = 0.label{ref29}
$$
Если (lambda = 0), то из первых двух уравнений eqref{ref28} получаем (x = y = 0). Но (x = y = 0) не удовлетворяет уравнению связи. Итак, (lambda neq 0), поэтому из eqref{ref29} следует, что (x = y) (второй сомножитель всегда положителен: (3(x^{2}+xy+y^{2})+1 > 0)). Подставляя (x = y) в уравнение связи, получаем (x^{3}+x = 2), (x = y = 1). Первое из уравнений eqref{ref28} дает при (x = y = 1) значение (lambda = -displaystylefrac{a}{4} e^{a}).
Итак, ((1, 1, -displaystylefrac{a}{4} e^{a})) есть единственная стационарная точка функции Лагранжа.
Так как
$$
d(e^{axy}) = a(x dy+y dx) e^{axy},nonumber
$$
$$
d^{2}(e^{axy}) = a^{2}(x dy+y dx)^{2} e^{axy}+2a dx dy e^{axy},nonumber
$$
$$
d^{2}(x^{3}+y^{3}+x+y-4) = 6x dx^{2}+6y dy^{2},nonumber
$$
то для второго дифференциала функции Лагранжа при (lambda_{0} = -displaystylefrac{a}{4} e^{a}) и (x = y = 1) получается следующее выражение:
$$
d^{2}L(1, 1, lambda_{0}) = ae^{a}left[a(dx+dy)^{2}+2 dx dy-frac{3}{2}(dx^{2}+dy^{2})right].label{ref30}
$$
Дифференцируя уравнение связи при (x = y = 1), получаем, что (dy+dx = 0). Подставляя (dy = -dx) в уравнение eqref{ref30}, получаем равенство
$$
d^{2}L(1, 1, lambda_{0}) = -5ae^{a}dx^{2}.label{ref31}
$$
Поэтому при (a < 0) в точке (1,1) будет условный минимум, а при (a > 0) — условный максимум функции (f_{0}(x, y)) при наличии связи (x^{3}+y^{3}+x+y = 4), причем экстремальное значение функции равно (e^{a}). (blacktriangle)
Замечание.
Уравнение связи (x^{3}+y^{3}+x+y = 4) было бы затруднительно разрешить относительно одной из переменных. Метод Лагранжа для примера 2 более эффективен, чем прямой метод исключения зависимых переменных.
Несколько замечаний о методе множителей Лагранжа.
Задачи об отыскании экстремумов функций (как числовых, так и функций более общей природы) при наличии ограничений являются весьма распространенными. Теория экстремальных задач интенсивно развивается и находит широкий круг приложений. Здесь были рассмотрены ограничения типа равенств, задаваемые достаточно гладкими функциями (гладкие связи). Метод множителей Лагранжа имеет глубокие обобщения и на более общий случай, когда ограничения задаются системой равенств и неравенств при помощи недифференцируемых в обычном смысле функций.
В конкретных прикладных вопросах множители Лагранжа имеют содержательную интерпретацию. Так, в механике множители Лагранжа задают реакции связей, а в математической экономике — цены на продукты производства. Широко развиты приближенные методы решения экстремальных задач, использующие современную вычислительную технику.
Заказать задачи по любым предметам можно здесь от 10 минут
Как решать пределы для чайников?
Для тех, кто хочет научиться находить пределы в данной статье мы расскажем об этом. Не будем углубляться в теорию, обычно её дают на лекциях преподаватели. Так что «скучная теория» должна быть у Вас законспектирована в тетрадках. Если этого нет, то почитать можно учебники взятые в библиотеке учебного заведения или на других интернет-ресурсах.
Итак, понятие предела достаточно важно в изучении курса высшей математики, особенно когда вы столкнетесь с интегральным исчислением и поймёте связь между пределом и интегралом. В текущем материале будут рассмотрены простые примеры, а также способы их решения.
Примеры решений
| Пример 1 |
| Вычислить а) $ lim_{x to 0} frac{1}{x} $; б)$ lim_{x to infty} frac{1}{x} $ |
| Решение |
|
а) $$ lim limits_{x to 0} frac{1}{x} = infty $$ б)$$ lim_{x to infty} frac{1}{x} = 0 $$ Нам часто присылают эти пределы с просьбой помочь решить. Мы решили их выделить отдельным примером и пояснить, что данные пределы необходимо просто запомнить, как правило. Если не получается решить свою задачу, то присылайте её к нам. Мы предоставим подробное решение онлайн. Вы сможете ознакомиться с ходом вычисления и почерпнуть информацию. Это поможет своевременно получить зачёт у преподавателя! |
| Ответ |
| $$ text{a)} lim limits_{x to 0} frac{1}{x} = infty text{ б)}lim limits_{x to infty} frac{1}{x} = 0 $$ |
| Пример 2 |
| $$ lim limits_{x to 1} frac{x^2 + 2x + 1}{x + 1} $$ |
| Решение |
|
Внимание «чайникам» $$ lim limits_{x to 1} frac{x^2+2 cdot x+1}{x+1}=frac{1^2+2 cdot 1+1}{1+1} = $$ $$ = frac{4}{2}=2 $$ Как видим в итоге у нас вычислился предел, результатом стала двойка. Хорошо, когда так получается, но бывает так, что результатом становятся неопределенности. Попробуем разобраться с ними — это не так страшно как кажется |
| Ответ |
| $$ lim limits_{x to 1} frac{x^2 + 2x + 1}{x + 1} = 2 $$ |
Чтобы вычислить предел любого типа и вида нужно подставить значение x, указанное под пределом, в функцию, стоящую под знаком предела. Давайте попробуем это сделать:Что делать с неопределенностью вида: $ bigg [frac{0}{0} bigg ] $
| Пример 3 |
| Решить $ lim limits_{x to -1} frac{x^2-1}{x+1} $ |
| Решение |
|
Как всегда начинаем с подстановки значения $ x $ в выражение, стоящее под знаком предела. $$ lim limits_{x to -1} frac{x^2-1}{x+1} = frac{(-1)^2-1}{-1+1}=frac{0}{0} $$ Что теперь дальше? Что же должно получиться в итоге? Так как это неопределенность, то это ещё не ответ и продолжаем вычисление. Так как в числители у нас многочлен, то разложим его на множители, помощью знакомой всем формулы ещё со школьной скамьи $$ a^2-b^2=(a-b)(a+b) $$. Вспомнили? Отлично! Теперь вперед и с песней применять её Получаем, что числитель $ x^2-1=(x-1)(x+1) $ Продолжаем решать учитывая вышеприведенное преобразование: $$ lim limits_{x to -1}frac{x^2-1}{x+1} = lim limits_{x to -1}frac{(x-1)(x+1)}{x+1} = $$ $$ = lim limits_{x to -1}(x-1)=-1-1=-2 $$ |
| Ответ |
| $$ lim limits_{x to -1} frac{x^2-1}{x+1} = -2 $$ |
| Пример 4 |
| $$ lim limits_{x to 2}frac{x^2-4}{x^2-4x+4} $$ |
| Решение |
|
$$ lim limits_{x to 2}frac{x^2-4}{x^2-4x+4} = frac{0}{0} = $$ $$ = lim limits_{x to 2}frac{(x-2)(x+2)}{(x-2)^2} = $$ $$ = lim limits_{x to 2}frac{x+2}{x-2} = frac{2+2}{2-2} = frac{4}{0} = infty $$ Бесконечность получилась в результате — это следует из примера 1. Когда число делится на 0 под знаком предела, то получается бесконечность. |
| Ответ |
| $$ lim limits_{x to 2}frac{x^2-4}{x^2-4x+4} = infty $$ |
Устремим предел в последних двух примерах к бесконечности и рассмотрим неопределенность: $ bigg [frac{infty}{infty} bigg ] $
| Пример 5 |
| Вычислить $ lim limits_{x to infty} frac{x^2-1}{x+1} $ |
| Решение |
|
$ lim limits_{x to infty} frac{x^2-1}{x+1} = frac{infty}{infty} $ Что же делать? Как быть? Не стоит паниковать, потому что невозможное — возможно. Нужно вынести за скобки и в числителе и в знаменателе икс, а потом его сократить. После этого предел попытаться вычислить. Пробуем… $$ lim limits_{x to infty} frac{x^2-1}{x+1} =lim limits_{x to infty} frac{x^2(1-frac{1}{x^2})}{x(1+frac{1}{x})} = $$ $$ = lim limits_{x to infty} frac{x(1-frac{1}{x^2})}{(1+frac{1}{x})} = $$ Используя определение из примера 2 и подставляя в место х бесконечность получаем: $$ = frac{infty(1-frac{1}{infty})}{(1+frac{1}{infty})} = frac{infty cdot 1}{1+0} = frac{infty}{1} = infty $$ |
| Ответ |
| $$ lim limits_{x to infty} frac{x^2-1}{x+1} = infty $$ |
| Пример 6 |
| $$ lim limits_{x to infty}frac{x^2-4}{x^2-4x+4} $$ |
| Решение |
|
$$ lim limits_{x to infty}frac{x^2-4}{x^2-4x+4} = frac{infty}{infty} $$ Чтобы устранить такую неопределенность нужно вынести за скобки икс в числителе и в знаменателе, далее их сократить. В полученное выражение подставить икс равное бесконечности. Пробуем… $$ lim limits_{x to infty}frac{x^2-4}{x^2-4x+4} = frac{infty}{infty} = $$ $$ lim limits_{x to infty}frac{x^2(1-frac{4}{x^2})}{x^2(1-frac{4}{x}+frac{4}{x^2})} = $$ $$ lim limits_{x to infty}frac{1-frac{4}{x^2}}{1-frac{4}{x}+frac{4}{x^2}} = frac{1}{1} = 1 $$ |
| Ответ |
| $$ lim limits_{x to infty}frac{x^2-4}{x^2-4x+4} = 1 $$ |
Алгоритм вычисления лимитов
Итак, давайте кратко подведем итог разобранным примерам и составим алгоритм решения пределов:
- Подставить точку х в выражение, следующее после знака предела. Если получается определенное число, либо бесконечность, то предел решен полностью. В противном случае имеем неопределенность: «ноль делить на ноль» или «бесконечность делить на бесконечность» и переходим к следующим пунктам инструкции.
- Чтобы устранить неопределенность «ноль делить на ноль» нужно разложить числитель и знаменатель на множители. Сократить подобные. Подставить точку х в выражение, стоящее под знаком предела.
- Если неопределенность «бесконечность делить на бесконечность», тогда выносим и в числителе, и в знаменателе x наибольшей степени. Сокращаем иксы. Подставляем значения икса из под предела в оставшееся выражение.
В этой статье Вы ознакомились с основами решения пределов, часто используемых в курсе Математического анализа. Конечно же это не все типы задач, предлагающихся экзаменаторами, а только простейшие пределы. В следующих статьях поговорим о других типах заданий, но сперва необходимо усвоить этот урок, чтобы двигаться далее. Обсудим, что делать, если есть корни, степени, изучим бесконечно малые эквивалентные функции, замечательные пределы, правило Лопиталя.
Если у Вас не получается самостоятельно решить пределы, то не паникуйте. Мы всегда рады помочь!
Итак, ты ученик первого курса технического вуза, а единственное, что ты можешь сказать, глядя на эту хуйню, — это «ебись оно конем»? Тогда этот гайд для тебя.
Урок математики. Учительница говорит:
— Сегодня мы будем брать интегралы.
Вовочка спрашивает:
— А как это в жизни пригодится?
— Ты ебало-то завали.
Рассмотрим простейший пример:
Все очень просто. Видишь как икс стремится к трем? То-то же. Просто подставь в дробь значение икс равное трем. В числителе получается 10, а в знаменателе 5. Делим и получаем ответ 2. Понял в чем дело? Просто подставляем в предел вместо икса то, к чему стремится этот самый икс. И все.
Но такое на контрольной тебе никогда не дадут. Рассмотрим пример посложнее.
Подставляем бесконечность вместо икса и включаем мозг: логично предположить, что бесконечность это очень много, а когда мы делим небольшое число на очень большое, то получаем очень маленький ответ. А когда мы делим любое число на бесконечно большое, то получаем 0. Запомнил? Молодец, даже у Эйнштейна это только с третьего раза получилось.
Ну а что, если икс стремится к нулю? На ноль делить же нельзя? Это правда, только мы подставляем не 0, а число бесконечно стремящееся к нулю. Логика подсказывает, что в таком случае в ответе получится бесконечность. Понял? Если нет, спроси свою маму или бабушку.
А теперь глядь сюды:
Что у нас тут получается? Бесконечность в числителе и бесконечность в знаменателе? Неопределенность какая-то. Именно с неопределенностями разных типов тебе придется сразится на контрольной. В данном случае у нас неопределенность вида ВОСЬМЕРКА НА БОКУ РАЗДЕЛИТЬ НА ВОСЬМЕРКУ НА БОКУ. Решить данную блевоту можно вынеся старшую степень за скобки. Ну мы же не такие, правда? Лови лайфхак: когда у нас Х стремится к бесконечности и в пределе отношение многочлена на многочлен, то ответом является отношение коэффициентов при старших степенях. То есть нам нужно взять циферку перед икс в кубе из числителя и разделить его на циферку перед икс в кубе в знаменателе. Ответ получается в уме — 1/2. Да, ты можешь выкрикнуть ответ с места еще до того, как пример будет дописан на доске. Учителя такое очень любят, рекомендую.
Подобную хуету можно применить для поебени посложнее:
Решается абсолютно аналогично. Видишь хрень под корнем? Мысленно убери х+1 и извлеки корень. Выходит, что старшая степень 2. У нас получается так, что в числителе старшая степень и под корнем прячется и вне корня тоже есть. В общем, мне лень дальше писать, ответ 4/3. Кто не понял, тот лох.
Если старшие степени не совпадают, то ответом будет либо ноль либо бесконечность (зависит от вашего настроения).
Заикнувшимся про правило Лопиталя напомню, что за него на контрольной могут и выебать.
Теперь посмотрим на неопределенность иного типа:
Подставляем значение икса в предел и получаем неопределенность вида 0/0. Хуйня какая-то. Но только до тех пор, пока ты не догадаешься разложить числитель на множители. Находим корни в уме за пять лет (отсылка на предыдущий пост, охуеть!) и раскладываем поеботу по следующей формуле: (циферка ПЕРЕД ИКСОМ В квадрате)×(ИКС МИНУС первый корень)×(ИКС МИНУС второй корень). Эту формулу знает даже Невский.
Корни получились 5/2 и -1.
Теперь просто подставляем -1 и получаем ответ -7.
Внимательно глядим на новое спецзадание. Тут нас ждет неопределенность нового типа — бесконечность минус бесконечность. Домножем этот понос на такой же понос, только со знаком плюс вместо минуса. Ну раз мы домножили выражение на что-то, то на это самое что-то нужно и разделить, чтобы выражение не изменилось. В числителе применим формулу из продвинутого курса высшей математики:
Получилось вот что:
А дальше вспоминай пример номер 3 (это там, где мне было лень все расписывать и я выдал сразу ответ) и действуй аналогично. Ответ (2) находится в уме настолько быстро, что как-то неловко об этом писать.
Закрепим материал заданием, которым пытают Гитлера в аду:
Видишь классическую неопределенность вида 0/0? Значит нужно разложить на множители. Должно получиться что-то вроде (х-1)*(………) и в числителе и в знаменателе. Далее х-1 сократится и все будет хорошо. Есть один секретный способ, но я тебе его не покажу, поэтому будет раскладывать на множители делением в столбик. Ахтунг! Далее идет шок контент. Я предупредил.
В общем, в процессе деления столбиком ты увидишь, что в ответе вырисовывается ряд из степеней от большей к нулю. В конце у нас остается остаток в самом низу рисунка. Это полный квадрат выражения х-1. То есть при делении его на х-1 мы получим х-1. В знаменателе будет тоже самое, только ряд степеней начнется с 49. На множитель (х-1) мы сократили и числитель и знаменатель в предыдущем абзаце, если кто забыл. Теперь подставляем х=1 и получаем 98/48 или 49/24.
Вот и все. Полученных знаний тебе хватит, чтобы получить на контрольной твердую 2, а учительница если и будет тебя бить, то не сильно.
Напоследок дам универсальный способ. Если ты не можешь найти ответ, то он находится