极值

f(x)U(x0)有定义,xU˚f(x)\text{在}U(x_0)\text{有定义},\forall x\in\mathring{U}

f(x)<f(x0)f(x0)是极大值,x=x0是极大点\text{若}f(x)<f(x_0)\Rightarrow f(x_0)\text{是极大值},x=x_0\text{是极大点}

f(x)>f(x0)f(x0)是极小值,x=x0是极小点\text{若}f(x)>f(x_0)\Rightarrow f(x_0)\text{是极小值},x=x_0\text{是极小点}

定理一

f(x)x0处可导,若f(x)x0处取得极值f(x0)=0f(x)\text{在}x_0\text{处可导,若}f(x)\text{在}x_0\text{处取得极值}\Rightarrow f'(x_0)=0

f(x0)=0f(x)x0处取得极值f'(x_0)=0\nRightarrow f(x)\text{在}x_0\text{处取得极值}

证明方法:费马引理,请读者自行验证

定理二

f(x)x0处连续,且U˚(x0,δ)可导\text{设}f(x)\text{在}x_0\text{处连续,且}\mathring{U}(x_0,\delta)\text{可导}

x(x0δ,x0),f(x)>0x(x0,x0+δ),f(x)<0}f(x)x=x0处取得极大值\left. \begin{matrix} x \in (x_0-\delta,x_0),f'(x)>0 \\ x \in (x_0,x_0+\delta),f'(x)<0 \\ \end{matrix} \right\}\Rightarrow f(x)\text{在}x=x_0\text{处取得极大值}

x(x0δ,x0),f(x)<0x(x0,x0+δ),f(x)>0}f(x)x=x0处取得极小值\left. \begin{matrix} x \in (x_0-\delta,x_0),f'(x)<0 \\ x \in (x_0,x_0+\delta),f'(x)>0 \\ \end{matrix} \right\}\Rightarrow f(x)\text{在}x=x_0\text{处取得极小值}

若左邻域,右邻域,一阶导数符号不变,f(x)x=x0处不取极值\text{若左邻域,右邻域,一阶导数符号不变,}f(x)\text{在}x=x_0\text{处不取极值}

定理三

f(x)x=x0f(x)=0,f(x0)存在f(x0)0\text{设}f(x)\text{在}x=x_0\text{处}f'(x)=0,f''(x_0)\text{存在}f''(x_0)\ne0

f(x0)<0f(x)x0处取得极大值f''(x_0)<0\Leftrightarrow f(x)\text{在}x_0\text{处取得极大值}

f(x0)>0f(x)x0处取得极小值f''(x_0)>0\Leftrightarrow f(x)\text{在}x_0\text{处取得极小值}

最值

f(x)U上有定义,x0U,使得xU都有:f(x)\text{在}U\text{上有定义},\exists x_0\in U,\text{使得}\forall x\in U\text{都有}\text{:}

f(x)f(x0)f(x0)f(x)U上的最大值f(x)\leq f(x_0)\Rightarrow f(x_0)\text{为}f(x)\text{在}U\text{上的最大值}

f(x)f(x0)f(x0)f(x)在U上的最大值f(x)\geq f(x_0)\Rightarrow f(x_0)\text{为}f(x)\text{在U上的最大值}

最值不一定是极值,极值不一定是最值

不等式链

21x+1yxyx+y2x2+y22\frac{2}{\frac{1}{x}+\frac{1}{y}}\leq\sqrt{xy}\leq\frac{x+y}{2}\leq\sqrt{\frac{x^2+y^2}{2}}

例题

例1

m,n>0m+n23=0,max(mn)为?m,n>0\text{且}m+n-2\sqrt{3}=0,\text{则}\max(mn)\text{为?}

解法一:[基本不等式]\text{解法一}:[\text{基本不等式}]

m+n=23m+n=2\sqrt{3}

mnm+n2mn(m+n2)2mn(232)2mn3当且仅当m=n时取等max(mn)=3\begin{equation} \begin{aligned} \sqrt{mn}&\leq\frac{m+n}{2}\\ mn&\leq(\frac{m+n}{2})^2\\ mn&\leq(\frac{2\sqrt{3}}{2})^2\\ mn&\leq3\\ \text{当且仅当}m=n\text{时取等}\\ max(mn)=3 \end{aligned} \end{equation}


解法二:[拉格朗日数乘]\text{解法二}:[\text{拉格朗日数乘}]

使用前提:函数最值存在,若函数本身不存在最值,则此法的解皆不是最值约束条件没有边界约束函数需具有一阶连续偏导数,且约束函数的梯度向量不为0\begin{aligned} & \text{使用前提}: \\ & \text{函数最值存在,若函数本身不存在最值,则此法的解皆不是最值}\\ & \text{约束条件没有边界}\\ & \text{约束函数需具有一阶连续偏导数,且约束函数的梯度向量不为}0 \end{aligned}

列式联立方程解得f=mng(x)=0λ=3g=m+n23=0hm=0m=3h=fλghn=0n=3\begin{array}{c:c:c} \text{列式} & \text{联立方程}&\text{解得}\\ f=mn&g(x)=0&\lambda = \sqrt{3}\\ g=m+n-2\sqrt{3}=0&\frac{\partial h}{\partial m}=0&m= \sqrt{3}\\ h=f-\lambda g&\frac{\partial h}{\partial n}=0&n = \sqrt{3}\\ \end{array}