Исследование функции на экстремум

u = x² + y³ + 2z² + xy - 2yz + 3x - 1

Решение:

Шаг 1: Находим частные производные первого порядка

∂u/∂x = 2x + y + 3
∂u/∂y = 3y² + x - 2z
∂u/∂z = 4z - 2y

Шаг 2: Приравниваем производные к нулю и решаем систему

2x + y + 3 = 0
3y² + x - 2z = 0
4z - 2y = 0

Из третьего уравнения: 4z - 2y = 0 ⇒ 2z = y ⇒ z = y/2

Из первого уравнения: 2x = -y - 3 ⇒ x = (-y - 3)/2

Подставляем во второе уравнение:

3y² + (-y - 3)/2 - 2*(y/2) = 0
3y² - y/2 - 3/2 - y = 0
3y² - 3y/2 - 3/2 = 0
Умножаем на 2: 6y² - 3y - 3 = 0
Делим на 3: 2y² - y - 1 = 0

Решаем квадратное уравнение:

D = (-1)² - 4*2*(-1) = 1 + 8 = 9
y = (1 ± √9)/(2*2) = (1 ± 3)/4

Получаем два решения:

  1. y₁ = (1 + 3)/4 = 1
  2. y₂ = (1 - 3)/4 = -1/2

Находим соответствующие x и z:

Для y₁ = 1:

x = (-1 - 3)/2 = -2
z = 1/2 = 0.5

Для y₂ = -0.5:

x = (-(-0.5) - 3)/2 = (0.5 - 3)/2 = -2.5/2 = -1.25
z = -0.5/2 = -0.25

Шаг 3: Находим частные производные второго порядка

∂²u/∂x² = 2
∂²u/∂y² = 6y
∂²u/∂z² = 4
∂²u/∂x∂y = 1
∂²u/∂x∂z = 0
∂²u/∂y∂z = -2

Шаг 4: Составляем матрицу Гессе и исследуем критические точки

Матрица Гессе имеет вид:

H = [ 2 1 0 ]
    [ 1 6y -2 ]
    [ 0 -2 4 ]

Точка M₁(-2, 1, 0.5):

Матрица Гессе в этой точке:

H(M₁) = [ 2 1 0 ]
            [ 1 6 -2 ]
            [ 0 -2 4 ]

Главные миноры:

  1. Δ₁ = 2 > 0
  2. Δ₂ = det([2 1; 1 6]) = 2*6 - 1*1 = 11 > 0
  3. Δ₃ = det(H) = 2*(6*4 - (-2)*(-2)) - 1*(1*4 - (-2)*0) + 0 = 2*(24-4) - 1*(4-0) = 2*20 - 4 = 40-4 = 36 > 0

Все миноры положительны, значит в точке M₁(-2, 1, 0.5) - локальный минимум.

Точка M₂(-1.25, -0.5, -0.25):

Матрица Гессе в этой точке:

H(M₂) = [ 2 1 0 ]
            [ 1 -3 -2 ]
            [ 0 -2 4 ]

Главные миноры:

  1. Δ₁ = 2 > 0
  2. Δ₂ = det([2 1; 1 -3]) = 2*(-3) - 1*1 = -6-1 = -7 < 0
  3. Δ₃ = det(H) = 2*((-3)*4 - (-2)*(-2)) - 1*(1*4 - (-2)*0) + 0 = 2*(-12-4) - 1*(4) = 2*(-16) - 4 = -32-4 = -36 < 0

Миноры меняют знак, значит в точке M₂(-1.25, -0.5, -0.25) - седловая точка (экстремума нет).

Результат исследования:

Функция имеет локальный минимум в точке M₁(-2, 1, 0.5)

Значение функции в точке минимума: u(-2, 1, 0.5) = (-2)² + 1³ + 2*(0.5)² + (-2)*1 - 2*1*0.5 + 3*(-2) - 1 =

= 4 + 1 + 0.5 - 2 - 1 - 6 - 1 = -4.5

В точке M₂(-1.25, -0.5, -0.25) экстремума нет (седловая точка).

График функции в окрестности точки минимума

Линии уровня функции