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§21.421.4 条件极值与条件最值

华东师范大学数学系高等教育出版社《数学分析》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)
LagrangeLagrange 乘子法

在满足约束条件 φᵢ(x₁,x₂,…,xₙ)=0(i=1,2,…,m,m<n) 时,求函数 f(x₁,x₂,…,xₙ) 的极值问题,可归结为对 Lagrange 函数

L (x _ 1, x _ 2, … , x _ n) = f (x _ 1, x _ 2, … , x _ n) + ∑^ m λ_ i φ_ i (x _ 1, x _ 2, … , x _ n) (21.9)

求普通函数极值的问题,其中 λᵢ (i=1,2,…,m) 为常数因子.这种方法称为 Lagrange 乘子法.Lagrange 乘子法的证明见 [55] 第三册的 6.7.5 小节 (其中证明了 4 个命题), 其几何解释可见教科书 [9, 24, 63] 等.

Lagrange 乘子法的具体步骤是:

  1. 作出 Lagrange 函数 (21.9);

  2. 由 Lₓᵢ = 0 (i = 1, 2, …, n) 与 φᵢ = 0 (i = 1, 2, …, m) 联立解出 L 的全部驻点与 λᵢ (i = 1, 2, …, m) 的具体值,并要求驻点处矩阵

( c c c c frac ∂ φ_ 1∂ x _ 1 & frac ∂ φ_ 1∂ x _ 2 & … & frac ∂ φ_ 1∂ x _ n frac ∂ φ_ 2∂ x _ 1 & frac ∂ φ_ 2∂ x _ 2 & … & frac ∂ φ_ 2∂ x _ n vdots & vdots & & vdots frac ∂ φ_ m∂ x _ 1 & frac ∂ φ_ m∂ x _ 2 & … & frac ∂ φ_ m∂ x _ n ) (21.10)

的秩为 m ;

  1. 对每个驻点 p₀ ,算出 Hesse 矩阵 H(p₀)=(frac∂²L∂ xᵢ∂ xⱼ)ₙ× n(p₀) . (1) 若 H(p₀) 正定,则 p₀ 为 (条件) 极小值点; (2) 若 H(p₀) 负定,则 p₀ 为 (条件) 极大值点; (3) 若 H(p₀) 既不是正定,也不是负定,则由
d φ_ i (x _ 1, x _ 2, … , x _ n) = frac ∂ φ_ i∂ x _ i d x _ i = 0, i = 1, 2, … , m

以及矩阵(21.10)的秩为m,解出 dx₁,dx₂,…,dxₙ 中的m个。不妨设可解出 dx₁,dx₂,…,dxₘ ,将其代入n元二次型 (dx₁frac∂∂ x₁+dx₂frac∂∂ x₂+…+dxₙfrac∂∂ xₙ)²L(p₀) 中,化为二次型 ∑ᵢ,j=1ⁿ-maᵢjdxᵢdxⱼ 。令 A=(aᵢj)_((n-m)×(n-m)) 。若A是正定的,则 p₀ 为(条件)极小值点。若A是负定的,则 p₀ 为(条件)极大值点。若A是不定的,则 p₀ 不是(条件)极值点。若A是半定的,则需进一步判定。

如此看来,若出现 H(p₀) 既不正定,也不负定的情况下,讨论将相当复杂.

例题 21.4.121.4.1
解 11

作 Lagrange 函数

L (x, y, λ) = a x ^ 2 + 2 b x y + c y ^ 2 - λ (x ^ 2 + y ^ 2 - 1).

解方程组

L _ x = 2 a x + 2 b y - 2 λ x = 0, (21.11)L _ y = 2 b x + 2 c y - 2 λ y = 0, (21.12)x ^ 2 + y ^ 2 = 1. (21.13)

由(21.13)知 x, y 不可能同时为零,于是由(21.11),(21.12)得

| c c a - λ & b b & c - λ | = λ^ 2 - (a + c) λ + a c - b ^ 2 = 0. (21.14)

因判别式 Δ = (a + c)² - 4(ac - b²) = (a - c)² + 4b² > 0 ,从而解得两个相异实根

λ_ ± = frac 12 [ a + c ± sqrt (a - c) ^ 2 + 4 b ^ 2 ].

对每个 λ ,由 (21.11) (或(21.12)) 与 (21.13) 解出两组解

(λ_ +, x _ 1, y _ 1), (λ_ +, x _ 2, y _ 2), (λ_ -, x _ 3, y _ 3), (λ_ -, x _ 4, y _ 4),

且 y₁y₂y₃y₄≠ 0. 由(21.11)与(21.12)知

| c c L _ x x & L _ x y L _ x y & L _ y y | = | c c 2 (a - λ) & 2 b 2 b & 2 (c - λ) | = 0.

从而在驻点,矩阵 Lₓx & Lₓy Lₓy & L_(yy) 既不是正定的,也不是负定的.此时,对 (21.13) 求微分得

2 x d x + 2 y d y = 0,

解出

d y = - frac xy d x.

然后代入 d² L = 2(a - λ)dx² +4bdxdy + 2(c - λ)dy² 中,得

r l d ^ 2 L & = frac 2y ^ 2 [ (a - λ) y ^ 2 - 2 b x y + (c - λ) x ^ 2 ] d x ^ 2 & = frac 2y ^ 2 (a + c - 2 λ) d x ^ 2 { l l < 0, & λ = λ_ +, > 0, & λ = λ_ -. .

因此,对应于 λ_(+)(λ_(-)) , f 取得极大 (小) 值.

解 22 用隐函数方法

容易证明 b ≠ 0 时,f 的极值不在 (±1,0) 取得,而除去这两点外,x² + y² - 1 = 0 在单位圆上任意点的某邻域内有连续可导的隐函数 y = h(x),且 y' = -x/y .

记 F(x) = f(x,h(x)) ,则

r l F ^ prime (x) & = 2 a x + 2 b (y + x y ^ prime) + 2 c y y ^ prime & = 2 (a x + b y) + 2 (b x + c y) (- frac xy) = frac 2y [ (a - c) x y + b (y ^ 2 - x ^ 2) ].

令 F'(x)=0 ,记 u=x/y ,由上式得

b u ^ 2 - (a - c) u - b = 0.

它的判别式 Δ=(a-c)²+4b²>0 ,故方程有相异实根

u _ ± = frac 12 b [ a - c ± sqrt (a - c) ^ 2 + 4 b ^ 2 ],

且异号.将它们代入 x² + y² = 1 中可解得对应于 u_(+) 的解 x₁, x₂ 和对应于 u_(-) 的解 x₃, x₄.在这些驻点上

r l F ^ prime prime (x) & = frac 2y {(a - c) y - 2 b x + [ (a - c) x + 2 b y ] (- frac xy) } & = frac 2y ^ 2 [ (a - c) (y ^ 2 - x ^ 2) - 4 b x y ] & = frac 2 x yy ^ 2 [ - frac (a - c) ^ 2b - 4 b ] & = - frac 2 ub [ (a - c) ^ 2 + 4 b ^ 2 ] { l l < 0, & u = u _ +, > 0, & u = u _ -. .

故 x₁, x₂ 是 f 的极大值点,x₃, x₄ 是 f 的极小值点,其极大值和极小值分别为

(a u _ + ^ 2 + 2 b u _ + + c) / (u _ + ^ 2 + 1) text 和 (a u _ - ^ 2 + 2 b u _ - + c) / (u _ - ^ 2 + 1).
解 33

注意到

f (x, y) = (x, y) ( c c a & b b & c ) binomxy

是一个实的二元二次型,利用高等代数中的有关定理: 任意一个实二次型

∑_ i, j = 1 ^ n a _ i j x _ i x _ j (a _ i j = a _ j i, i, j = 1, 2, … , n)

都可以经过正交的线性变换变成平方和

λ_ 1 y _ 1 ^ 2 + λ_ 2 y _ 2 ^ 2 + … + λ_ n y _ n ^ 2,

其中平方项的系数 λ₁, λ₂, …, λₙ 就是矩阵 (aᵢj)ₙ × n 的特征多项式全部的根.因此 f(x, y) 可化为

f (x, y) = λ_ 1 u ^ 2 + λ_ 2 v ^ 2, text 且 u ^ 2 + v ^ 2 = 1,

其中 u, v 是 x, y 的线性组合,然后再用 Lagrange 乘子法或初等方法求解. □

有些极值问题会有初等解法,但这些初等解法一般都有一定的局限性.

在很多实际问题中,要求的是条件最值.从理论上讲,可通过求条件极值及与边界值、不可导点的值等的比较来得到条件最值.但从上节看到,确定条件极值是一件比较麻烦的事.在实际解题过程中,有许多简捷的方法,下面作些讨论.

以三元函数 u = f(x,y,z) 和一个约束条件 g(x,y,z) = 0 为例(设 f,g 在其定义域上连续可微).在求 u 的最值时,只要最值存在,且 gₓ,g_(y),g_(z) 在 D₁ = {(x,y,z)| g(x,y,z) = 0} 上不同时为 0,则最值点必是极值点,从而必是 Lagrange 函数的驻点.事实上,设 ±bp₀(x₀,y₀,z₀) 是最值点,且 g_(z)(±b p₀)≠ 0 ,则存在点 (x₀,y₀) 的邻域 O(x₀,y₀) ,使在其中确定隐函数 z = z(x,y).于是 u = f(x,y,z(x,y)) 在 O(x₀,y₀) 中有定义,且于点 (x₀,y₀) 处取最值.因为 O(x₀,y₀) 是开区域,所以 u = f(x,y,z(x,y)) 在点 (x₀,y₀) 处取极值.由此可得求条件最值的方法如下:

  1. 若约束为标准形式 g(x, y, z) = 0 ,且约束集合 D₁ = {(x, y, z) | g(x, y, z) = 0} 是有界闭集(此时最值必定存在)。设 gₓ, g_y, g_z 在 D₁ 上不同时为 0,则求出 Lagrange 函数的全部驻点及相应的函数值,再取其最值即可;

  2. 若约束为标准形式 g(x,y,z)=0 ,但 D₁ 为无界集。通常加上附加约束,转化为具有附加约束条件的有界域上的条件最值问题;

  3. D₁ 为有界集,并有附加约束情况(如 x² + y² + z² = 1, x > 0, y > 0, z > 0 )。先扩充为有界闭集(如 x² + y² + z² = 1, x ≥slant 0, y ≥slant 0, z ≥slant 0 ),从而最值存在,其次求出 Lagrange 函数全部驻点及相应的 f 的值,令其最大者为 M₁ ,最小者为 m₁ ,然后求出 f 在附加约束边界上的最大值 M₂ 和最小值 m₂ ,若 M₁ ≥slant M₂ ,则条件最大值为 M₁ ;若 M₁ < M₂ ,则条件最大值不存在。条件最小值可类似讨论;

  4. 标准约束 g(x,y,z)=0 , D₁ 无界,且具有附加约束 (如 x+y+z=1 , x>0, y>0, z>0). 通常应该首先证明条件最值存在,再证明条件最值点只能在某一有界域中,从而转化为情形 3.

对具体问题要作具体分析.对某个具体问题,很可能有体现这个问题特点的更为简捷的方法,甚至是完全初等的方法.

例题 21.4.221.4.2
解

只要求出椭圆 l 的长短半轴即可.于是问题转化为在约束条件

F (x, y, z) ≡ frac x ^ 23 + y ^ 2 + frac z ^ 22 - 1 = 0, (21.15)G (x, y, z) ≡ 2 x + y + z = 0 (21.16)

下求 r² = x² + y² + z² 之最大、最小值.为此定义

L (x, y, z, λ , μ) = x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 + λ (frac x ^ 23 + y ^ 2 + frac z ^ 22 - 1) + μ (2 x + y + z).

令

L _ x = 2 x + frac 23 λ x + 2 μ = 0, (21.17)L _ y = 2 y + 2 λ y + μ = 0, (21.18)L _ z = 2 z + λ z + μ = 0. (21.19)

将(21.17) — (21.19)分别乘 x,y,z,然后相加,利用(21.15),(21.16)得

λ = - r ^ 2. (21.20)

将 (21.20) 代入 (21.17), 得

(r ^ 2 - 3) x = 3 μ .

若 r² = 3 ,则 μ = 0.代入(21.18),(21.19),得 y = z = 0 ,显然不满足(21.15)和(21.16).因此 r² -3≠ 0.所以

x = frac 3 μr ^ 2 - 3. (21.21)

同理将 (21.20) 代入 (21.18), (21.19) 得

y = frac μ2 (r ^ 2 - 1), z = frac μr ^ 2 - 2. (21.22)

将(21.21),(21.22)代入(21.16),得

frac 6 μr ^ 2 - 3 + frac μ2 (r ^ 2 - 1) + frac μr ^ 2 - 2 = 0. (21.23)

由于 μ ≠ 0 ,消去 μ ,得

1 5 (r ^ 2) ^ 2 - 4 9 r ^ 2 + 3 6 = 0.

由此可以解出两个根 r₁² 和 r₂² 即为条件驻点对应的函数值.由于约束集合是有界闭集,故 r² 的最值存在,又因为在约束集合上 (∂(F,G))/(∂(y,z)), (∂(F,G))/(∂(z,x)), (∂(F,G))/(∂(x,y)) 不同时为 0,故最值必定在条件驻点达到,因而这两个值也即为 r² 的最大最小值,即长、短半轴的平方.根据 Viète 定理有 r₁² · r₂² = (36)/(15) = (12)/(5),于是所求的面积为

s = π r _ 1 r _ 2 = 2 π sqrt frac 35.

本题所用解法也是条件极值或最值问题中常用的技巧,其特点是不必求出条件驻点,而直接求出所要求的条件最值. 在得到 (21.20) 之后可用下面的解法来求 λ :

由(21.15)知 x, y, z 不能同时为 0,于是在方程组(21.16) — (21.19)中视 x, y, z , μ 为未知量, λ 为系数,则方程组有非零解。于是系数矩阵的行列式为 0,即

l | c c c c 2 + frac 23 λ & 0 & 0 & 2 0 & 2 + 2 λ & 0 & 1 0 & 0 & 2 + λ & 1 2 & 1 & 1 & 0 | = (2 + frac 23 λ) | c c c 2 + 2 λ & 0 & 1 0 & 2 + λ & 1 1 & 1 & 0 | - 2 | c c c 0 & 2 + 2 λ & 0 0 & 0 & 2 + λ 2 & 1 & 1 | = - (2 + frac 23 λ) (2 + λ + 2 + 2 λ) - 4 (2 + 2 λ) (2 + λ) = 0,

即

1 5 λ^ 2 - 4 9 λ + 3 6 = 0.
例题 21.4.321.4.3
解

设

L (x, y, λ) = frac 12 (x ^ p + y ^ p) + λ (x + y - C).

令

c L _ x = frac p2 x ^ p - 1 + λ = 0, L _ y = frac p2 y ^ p - 1 + λ = 0, x + y = C.

解得驻点 x = y = C/2.由于约束集是有界闭集,比较驻点值与附加约束集合边界点的值 f(C/2, C/2) = (C/2)^p , f(0, C) = f(C, 0) = 1/2 C^p,可知 (C/2)^p 为 f 在条件 x, y ≥slant 0 下的最小值.

由本题结论可得

frac 12 (x ^ p + y ^ p) ≥slant (frac x + y2) ^ p.

一般地,可以证明: 若 p ≥slant 1, xᵢ ≥slant 0, i = 1, 2, …, n,则有 (参见上册 259 页题 8)

frac 1n ∑_ i = 1 ^ n x _ i ^ p ≥slant (frac 1n ∑_ i = 1 ^ n x _ i) ^ p.

很多不等式都可以类似地化为条件最值问题来证明.

例题 21.4.421.4.4
解

分析 原问题等价于求 u = xy² z³ 的最大值,这样做是因为对数函数在零点无定义,而幂函数则不然,因而可将约束条件化为 x ≥slant 0, y ≥slant 0, z ≥slant 0.注意到在边界上 u 取最小值.故在 D₁ = {(x, y, z) | x² + y² + z² = 6r², x ≥slant 0, y ≥slant 0, z ≥slant 0} 的内部一定有 u 的最大值点.

构造 Lagrange 函数

L (x, y, z, λ) = x y ^ 2 z ^ 3 + λ (x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 - 6 r ^ 2).

令

L _ x = y ^ 2 z ^ 3 + 2 λ x = 0, (21.25)L _ y = 2 x y z ^ 3 + 2 λ y = 0, (21.26)L _ z = 3 x y ^ 2 z ^ 2 + 2 λ z = 0, (21.27)x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 = 6 r ^ 2. (21.28)

在(21.25) — (21.27)两边分别乘以 x,y,z,然后相加,利用(21.28)得

x y ^ 2 z ^ 3 = - 2 λ r ^ 2. (21.29)

再将(21.29)代入(21.25) — (21.27)中,明显地 λ≠0,则

x = r, y = sqrt 2 r, z = sqrt 3 r, λ = - 3 sqrt 3 r ^ 4

对应了惟一驻点,于是 xy²z³ 的最大值为 6√(3) r⁶ ,即

x y ^ 2 z ^ 3 ≤slant 6 sqrt 3 r ^ 6.

两边平方得

x ^ 2 y ^ 4 z ^ 6 ≤slant 1 0 8 r ^ 1 2.

令 a = x², b = y², c = z²,则 r² = (a + b + c)/(6).于是

a b ^ 2 c ^ 3 ≤slant 1 0 8 (frac a + b + c6) ^ 6.

也可以用算术平均值 - 几何平均值不等式(上册第 4 页)证不等式(21.24):

a b ^ 2 c ^ 3 = 2 ^ 2 3 ^ 3 a (frac b2) ^ 2 (frac c3) ^ 3 ≤slant 1 0 8 (frac a + b + c6) ^ 6. (21.30)

求隐函数的极值有两种方法: 第一种是用隐函数求导,称为直接法; 第二种是化为条件极值去做,称为间接法.下面的例子给出了求隐函数极值的这两种方法.

例题 21.4.521.4.5
解 11(直接法)

设 g(x,y,z) = 2x² + y² + z² + 2xy - 2x - 2y - 4z + 4, (∂ g)/(∂ z) = 2z - 4. 由 (∂ g)/(∂ z)≠ 0 得 z≠ 2. 在满足(21.31)的 (x,y,z),z≠ 2 附近确定了隐函数 z = z(x,y).由(21.31)对隐函数 z = z(x,y) 求导,得

4 x + 2 z frac ∂ z∂ x + 2 y - 2 - 4 frac ∂ z∂ x = 0, (21.32)2 y + 2 z frac ∂ z∂ y + 2 x - 2 - 4 frac ∂ z∂ y = 0. (21.33)

令 (∂ z)/(∂ x) = (∂ z)/(∂ y) = 0 ,则

2 x + y - 1 = 0, y + x - 1 = 0.

由此得驻点为 (0,1) ,将之代入 (21.31) 得

z ^ 2 - 4 z + 3 = 0.

于是 z₁ = 1, z₂ = 3, 在(21.32),(21.33)两边求导,得

4 + 2 (frac ∂ z∂ x) ^ 2 + 2 z frac ∂^ 2 z∂ x ^ 2 - 4 frac ∂^ 2 z∂ x ^ 2 = 0, (21.34)2 frac ∂ z∂ x frac ∂ z∂ y + 2 z frac ∂^ 2 z∂ x ∂ y + 2 - 4 frac ∂^ 2 z∂ x ∂ y = 0, (21.35)2 + 2 (frac ∂ z∂ y) ^ 2 + 2 z frac ∂^ 2 z∂ y ^ 2 - 4 frac ∂^ 2 z∂ y ^ 2 = 0. (21.36)

在(21.34) — (21.36)中令 (x,y,z)=(0,1,1) , (∂ z)/(∂ x)=(∂ z)/(∂ y)=0 ,得 A=zₓx=2,B=zₓy=1,C=z_(yy)=1 ,于是 D=AC-B²>0 。故 z=1 为极小值。

在(21.34) — (21.36)中令 (x,y,z)=(0,1,3) , (∂ z)/(∂ x)=(∂ z)/(∂ y)=0 ,得 A=zₓx=-2 , B=zₓy=-1 , C=z_(yy)=-1 ,于是 D=AC-B²>0 。由此可见 z=3 为极大值。

解 22(间接法)

以 (21.31) 为约束条件,取目标函数 f(x,y,z)=z,则 Lagrange 函数为

L (x, y, z, λ) = z + λ (2 x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 + 2 x y - 2 x - 2 y - 4 z + 4).

令

L _ x = 4 λ x + 2 λ y - 2 λ = 0, (21.37)L _ y = 2 λ x + 2 λ y - 2 λ = 0, (21.38)L _ z = 1 + 2 λ z - 4 λ = 0. (21.39)

显然 λ ≠ 0 ,于是由 (21.37) 和 (21.38) 得驻点为 (0,1).代入 (21.31) 得 z₁ = 1, z₂ = 3.再由 (21.39) 得 λ₁ = 1/2, λ₂ = -1/2.由于

L _ x x = 4 λ , L _ y y = L _ z z = 2 λ , L _ x y = 2 λ , L _ x z = L _ y z = 0,

于是 L 在 (0,1,1) 与 (0,1,3) 的 Hesse 矩阵分别为

( c c c 2 & 1 & 0 1 & 1 & 0 0 & 0 & 1 ), ( c c c - 2 & - 1 & 0 - 1 & - 1 & 0 0 & 0 & - 1 ),

前者正定,后者负定,所以 z = 1 为极小值,z = 3 为极大值.

在上述条件极值问题中约束条件给出了一个有界闭集,所以条件最值一定取到.而且可以证明条件最值一定是条件极值,所以 z = 1 和 z = 3 分别是 (21.31) 确定的隐函数 z = z(x, y) 的最小值和最大值.

1.求 f(x,y,z)=x⁴+y⁴+z⁴ 在条件 xyz=1 下的极值.

2.求 u = x - 2y + 2z 在条件 x² + y² + z² = 1 下的极值.

3.求 z = cos² x + cos² y 满足条件 x - y = (π)/(4) 时的极值.

4.求 f(x, y, z) = x^(l)y^(m)zⁿ 满足条件 ax + by + cz = k 的极值,常数和变量均正.

5.求 u = fracx²a² + fracy²b² + fracz²c² 在条件 x² + y² + z² = 1, x cos α + y cos β + z cos γ = 0 下的极值,其中 a > b > c > 0, cos²α + cos²β + cos²γ = 1

6.设约束条件为 frac1x₁ + frac1x₂ + … + frac1xₙ = 1/a, xᵢ > 0, i = 1, 2, …, n, 而 a > 0 为定值.求 u = x₁x₂ … xₙ 的极值.

7.求满足约束条件 x + y + z = (π)/(2) ,x > 0, y > 0, z > 0 时, u = sin x · sin y · sin z 的极值.

8.若 fracx₁a₁ + fracx₂a₂ + … + fracxₙaₙ = 1 ,求 u = x₁² + x₂² + … + xₙ² 的极值,其中 aᵢ > 0 ( i = 1, 2, …, n ) 是常数,变量 x₁, x₂, …, xₙ 均大于 0.

9.求 u = x³ + y³ + z³ - 2xyz 在 x² + y² + z² ≤slant 1 中的最大、最小值.

10.求 z = x² - xy + y² 在 |x| + |y| ≤slant 1 中的最大、最小值.

11.在球面 x² + y² + z² = 1 上求一点,使其到 n 个已知点 Mᵢ(xᵢ, yᵢ, zᵢ) (i = 1, 2, …, n) 距离的平方和最小.

12.求点 (-1,0) 到半立方抛物线 y²=x³ 的最短距离.

13.在周长为定数的三角形中,求面积为最大的三角形.

14.分解正数 a 为 n 个因子,使其倒数和最小.

15.长为 a 的铁丝截成两段,一段围成一个正方形,另一段围成一个圆.这两段各为多少时,正方形与圆面积之和达最大值.

16.过椭圆 3x² + 2xy + 3y² = 1 上任意点作此椭圆的切线,求切线与两坐标轴围成的三角形面积最小者.

17.求原点到曲面 (x - y)² + z² = 1 的最短距离.

18.求 x² - xy + y² - z² = 1 与 x² + y² = 1 的交线到原点的最近距离.

19.在圆外切三角形中,求面积最小的三角形.

20.设四边形各边长为定数,求面积最大的四边形.

21.在一个已知凸四边形内求一点 C,使其到四个顶点距离的平方和最小.

22.证明: 椭圆的内接三角形中,面积达最大的三角形的一个顶点处的法线,必定与此三角形的该顶点所对的边正交,并求面积最大的内接三角形.

23.在椭圆 x² + 4y² = 4 上求一点,使到直线 3x + 4y = 12 的距离最短.

24.设椭圆 fracx²a² + fracy²b² = 1 的任一切线与 x, y 轴分别交于 A, B 两点,试求线段 AB 长度的最小值.

25.在抛物线 y = x² 的所有与法线重合的弦中求长度最短的弦.

26.设椭圆 (x²)/(a²) + (y²)/(b²) = 1 将圆 (x - 1)² + y² = 1 包围于其内.试求 a, b 的值,使符合上述条件的椭圆的面积为最小.

27.设方程 F(x,y)=0 满足隐函数定理的条件,并由此确定了隐函数 y=f(x) ,又设 F(x,y) 具有连续的二阶偏导数.

(1) 求 f''(x) ;

(2) 若 F(x₀, y₀) = 0, y₀ = f(x₀) 为 f(x) 的一个极值,证明:当 F_(y)(x₀, y₀) 与 Fₓx(x₀, y₀) 同号时, f(x₀) 为极大值,当 F_(y)(x₀, y₀) 与 Fₓx(x₀, y₀) 异号时, f(x₀) 为极小值;

(3) 对方程 x² + xy + y² = 27 在隐函数形式下(不解出 y),求 y = f(x) 的极值,并用 (2) 的结论判别极大或极小.

28.设 D 是由两抛物线 y = x² - 1, y = -x² + 1 所围成的闭域,试在 D 内求一椭圆 fracx²a² + fracy²b² = 1,使其面积为最大.

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