Найдите наибольшее и наименьшее значение функции f(x,y)=x^2+xy+y^2 на окружности x^2+y^2=1, обсудите методы (подстановка через тригонометрию, метод Лагранжа) и аргументируйте выбор
Тригонометрическая подстановка (проще и короче): Подставим (x,y)=(cost,sint)(x,y)=(\cos t,\sin t)(x,y)=(cost,sint). Тогда f=cos2t+costsint+sin2t=1+12sin2t.
f=\cos^2 t+\cos t\sin t+\sin^2 t=1+\tfrac12\sin 2t. f=cos2t+costsint+sin2t=1+21sin2t.
Значит maxf\max fmaxf при sin2t=1\sin 2t=1sin2t=1, minf\min fminf при sin2t=−1\sin 2t=-1sin2t=−1. Следовательно maxf=1+12=32,minf=1−12=12.
\max f=1+\tfrac12=\tfrac32,\quad \min f=1-\tfrac12=\tfrac12. maxf=1+21=23,minf=1−21=21.
Точки достижения: при sin2t=1\sin2t=1sin2t=1 — t=π/4+kπt=\pi/4+k\pit=π/4+kπ, т.е. (x,y)=(±22,±22)(x,y)=(\pm\tfrac{\sqrt2}{2},\pm\tfrac{\sqrt2}{2})(x,y)=(±22,±22) (одного знака); при sin2t=−1\sin2t=-1sin2t=−1 — t=−π/4+kπt=-\pi/4+k\pit=−π/4+kπ, т.е. (x,y)=(±22,∓22)(x,y)=(\pm\tfrac{\sqrt2}{2},\mp\tfrac{\sqrt2}{2})(x,y)=(±22,∓22). Метод Лагранжа (систематично, пригоден для общих ограничений): Возьмём g(x,y)=x2+y2−1g(x,y)=x^2+y^2-1g(x,y)=x2+y2−1. Уравнения ∇f=λ∇g\nabla f=\lambda\nabla g∇f=λ∇g дают 2x+y=2λx,x+2y=2λy.
2x+y=2\lambda x,\qquad x+2y=2\lambda y. 2x+y=2λx,x+2y=2λy.
Ненулевое решение требует равенства определителя нулю: (2−2λ)2−1=0 ⟹ λ=32 или λ=12.
(2-2\lambda)^2-1=0\implies\lambda=\tfrac32\text{ или }\lambda=\tfrac12. (2−2λ)2−1=0⟹λ=23илиλ=21.
Для λ=32\lambda=\tfrac32λ=23 получаем y=xy=xy=x и на окружности x2=12x^2=\tfrac12x2=21, f=32f=\tfrac32f=23 (максимум). Для λ=12\lambda=\tfrac12λ=21 получаем y=−xy=-xy=−x и f=12f=\tfrac12f=21 (минимум). Совпадает с методом подстановки. Выбор метода: для круга тригонометрическая подстановка проще и быстрее; метод Лагранжа полезен для более общих ограничений и для формального обоснования экстремумов.
Подставим (x,y)=(cost,sint)(x,y)=(\cos t,\sin t)(x,y)=(cost,sint). Тогда
f=cos2t+costsint+sin2t=1+12sin2t. f=\cos^2 t+\cos t\sin t+\sin^2 t=1+\tfrac12\sin 2t.
f=cos2t+costsint+sin2t=1+21 sin2t. Значит maxf\max fmaxf при sin2t=1\sin 2t=1sin2t=1, minf\min fminf при sin2t=−1\sin 2t=-1sin2t=−1. Следовательно
maxf=1+12=32,minf=1−12=12. \max f=1+\tfrac12=\tfrac32,\quad \min f=1-\tfrac12=\tfrac12.
maxf=1+21 =23 ,minf=1−21 =21 . Точки достижения: при sin2t=1\sin2t=1sin2t=1 — t=π/4+kπt=\pi/4+k\pit=π/4+kπ, т.е. (x,y)=(±22,±22)(x,y)=(\pm\tfrac{\sqrt2}{2},\pm\tfrac{\sqrt2}{2})(x,y)=(±22 ,±22 ) (одного знака); при sin2t=−1\sin2t=-1sin2t=−1 — t=−π/4+kπt=-\pi/4+k\pit=−π/4+kπ, т.е. (x,y)=(±22,∓22)(x,y)=(\pm\tfrac{\sqrt2}{2},\mp\tfrac{\sqrt2}{2})(x,y)=(±22 ,∓22 ).
Метод Лагранжа (систематично, пригоден для общих ограничений):
Возьмём g(x,y)=x2+y2−1g(x,y)=x^2+y^2-1g(x,y)=x2+y2−1. Уравнения ∇f=λ∇g\nabla f=\lambda\nabla g∇f=λ∇g дают
2x+y=2λx,x+2y=2λy. 2x+y=2\lambda x,\qquad x+2y=2\lambda y.
2x+y=2λx,x+2y=2λy. Ненулевое решение требует равенства определителя нулю:
(2−2λ)2−1=0 ⟹ λ=32 или λ=12. (2-2\lambda)^2-1=0\implies\lambda=\tfrac32\text{ или }\lambda=\tfrac12.
(2−2λ)2−1=0⟹λ=23 или λ=21 . Для λ=32\lambda=\tfrac32λ=23 получаем y=xy=xy=x и на окружности x2=12x^2=\tfrac12x2=21 , f=32f=\tfrac32f=23 (максимум). Для λ=12\lambda=\tfrac12λ=21 получаем y=−xy=-xy=−x и f=12f=\tfrac12f=21 (минимум). Совпадает с методом подстановки.
Выбор метода: для круга тригонометрическая подстановка проще и быстрее; метод Лагранжа полезен для более общих ограничений и для формального обоснования экстремумов.