多元函数极值理论的应用

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  引言:多元函数极值是多元函数微分学的重要组成部分,它不仅在理论上有重要的应用,在其它学科及实际生活中也有着广泛的应用。本文在多元函数极值有关理论的基础上,讨论多元函数求解极值的理论方法,以拉格朗日乘数法为主,以柯西、均值不等式法,梯度法,代换法等为补充方法,同时通过典型例题阐明多元函数极值在实践中的应用,尤其是在数学与经济领域的应用,最终找出解决问题的最优方法。
  多元函数的极值问题是多元函数微分学的重要应用,我们可以先以二元函数为例进行讨论,逐步推广到 元函数的极值理论。从常见的无条件极值问题开始,还会见到许多带有约束条件的多元函数极值问题即条件极值问题。
  多元函数极值理论求解的常见计算方法有:最小二乘法,拉格朗日乘数法,代入法 ,柯西、均值不等式法,梯度法,标准量代换法,矢量法。需要注意的是在求解较简单的条件极值问题时,既可以用拉格朗日乘数法,也可用代入法,用代入法求解时要注意代入的条件,否则会导致不完整甚至错误的解答。
  多元函数极值理论在实际中的应用十分广泛,几乎遍及数学与科学的各个领域,在生产和日常生活中我们常常希望减少损耗率、增加利润率,也希望在金融和工程等方面达到最优,这些实际问题都可归结为函数极值问题。因此研究多元函数极值理论的应用十分必要,下面我们以实际常见的问题为例子展开讨论。
  例1 分解已知正数 为 个正的因数,使得它们的倒数之和为最小。
  在数学问题中我们常见的一种题型是用极值理论来证明不等式,拉格朗日乘数法,柯西、均值不等式法经常用到。
  多元函数极值的应用非常广泛,还常涉及到经济领域,用来解决最大利润问题、库存问题、消费者效益最大问题这三类基本的经济问题时,都要用到多元函数的极值理论,尤其是拉格朗日乘数法的应用。
  在经济学中,总收入和总成本都可以表示为常量 的函数分别为 和 ,其中 表示生产或销售过程中影响收入和成本的某一因素,则总利润 可以表示为 。为使总利润最大,其一阶导数需要等于零,即 ,由此可得 ,其中 表示边际收益, 表示边际成本,因此上式表示预使总利润最大,必须使边际收益等于边际成本,这是经济学中关于厂商行为的一个重要命题。
  根据极值存在的二阶充分条件, 为使总利润最大,还要求二阶导数
  由此可得 ,这就是说,在获得最大利润的常量处,必须要求边际收益等于边际成本。但此时若又有边际收益对常量的微商小于边际成本对常量的微商,则该常量一定能使企业获得最大利润。
  例2 某公司可通过电台和报纸两种方式做销售某种商品的广告。根据统计资料,销售收入 (万元)与电台广告费用 (万元)及报纸广告费 (万元)之间的关系有如下经验公式 ,在广告费用无限的情况下,求最优广告策略,使所获利润最大。
  解: 利潤等于收入与费用之差,利润函数为
  求得驻点 万元, 万元,利润函数在驻点处的Hesse矩阵 为
  由于Hesse矩阵 为负定矩阵,所以 在驻点 处达到极大值,也是最大值。即最优广告策略为:电台广告费用和报纸广告费用分别为 万元和 万元,此时可获得最大利润。
  参考文献
  [1]龙莉,黄玉洁.多元函数的极值及其应用[J].鞍山师范学院报,2003,5(4):10-12。
  [2]王洪涛.函数极值在经济管理中的应用[J].山东广播电视大学学报,2011,(2):65-69。
  [3]肖翔,许伯生.运用梯度法求条件极值[J].上海工程技术大学教育研究,2006,(1):35-37。
  (作者单位:中国矿业大学(北京))
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