題目
10. (10 points) Use Lagrange multiplier to find the extreme value of
f(x,y,z)=exyz
subject to the constraint
x3−y3+z3=24.
Also, indicate the value(s) you obtain is (are) maximum or minimum.
解答
解法一
思路
展開
- 指數函數遞增,因此先在限制條件下找 xyz 的臨界點。
- 非零臨界點由拉格朗日乘子方程相除,可得三個變數的比例;再代回限制條件。
- 另檢查座標平面上的臨界點,並判斷全域極值是否存在。
答題過程
令 g(x,y,z)=x3−y3+z3−24。拉格朗日方程為
yz=3λx2,xz=−3λy2,xy=3λz2.
若 xyz=0,比較三式可得 y=−x、z=x。代入限制條件:
x3−(−x)3+x3=3x3=24,
所以 (x,y,z)=(2,−2,2),並且
f(2,−2,2)=e−8.
在 x,y,z 均非零且符號保持不變的鄰域中,可令
a=x3、b=−y3、c=z3。此時 a,b,c>0 且 a+b+c=24;由 AM-GM,
abc≤(324)3=512.
因此 xyz=−3abc≥−8,故 e−8 是此限制曲面上的局部最小值。
此外,座標平面上的拉格朗日臨界點為
(324,0,0),(0,−324,0),(0,0,324),
它們的函數值皆為 1。在每一點附近,xyz 都可以取正、負兩種符號,故皆為鞍點。
限制曲面並不封閉:例如取 x=−M1/3、y=M1/3、z=(24+2M)1/3,仍滿足限制條件,而 xyz→−∞;取 x=M1/3、y=−M1/3、z=(24−2M)1/3 則有 xyz→+∞。故 f 沒有全域最小值或全域最大值。