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数学
题目

设z=f(x, y)=x^4+y^4-x^2-2xy-y^2,由[}f_(x)(x, y)=4x^3-2x-2y=0 f_(y)(x, y)=4y^3-2x-2y=0]解得其驻点为M_(0)(0, 0)、M_(1)(1, 1)、M_(2)(-1, 1),则____.(A). f(M_(0))是函数f(x, y)的极小值;(B). f(M_(1))与f(M_(2))都是函数f(x, y)的极小值;(C). f(M_(0))是函数f(x, y)的极大值;(D). f(M_(1))与f(M_(2))都是函数f(x, y)的极大值。

设$z=f(x, y)=x^{4}+y^{4}-x^{2}-2xy-y^{2}$,由 $\begin{cases} f_{x}(x, y)=4x^{3}-2x-2y=0 \\ f_{y}(x, y)=4y^{3}-2x-2y=0 \end{cases}$ 解得其驻点为$M_{0}(0, 0)$、$M_{1}(1, 1)$、$M_{2}(-1, 1)$,则____. (A). $f(M_{0})$是函数$f(x, y)$的极小值; (B). $f(M_{1})$与$f(M_{2})$都是函数$f(x, y)$的极小值; (C). $f(M_{0})$是函数$f(x, y)$的极大值; (D). $f(M_{1})$与$f(M_{2})$都是函数$f(x, y)$的极大值。

题目解答

答案

我们来分析题目给出的函数:

$f(x, y) = x^4 + y^4 - x^2 - 2xy - y^2$

并给出其偏导数:

$f_x(x, y) = 4x^3 - 2x - 2y = 0 \quad \text{(1)}$
$f_y(x, y) = 4y^3 - 2x - 2y = 0 \quad \text{(2)}$

第一步:确认驻点

题目中给出的驻点是:

  • $M_0(0, 0)$
  • $M_1(1, 1)$
  • $M_2(-1, 1)$

我们先验证这些点是否满足方程组 (1) 和 (2)。

验证 $M_0(0, 0)$:

$f_x(0, 0) = 4(0)^3 - 2(0) - 2(0) = 0 \\ f_y(0, 0) = 4(0)^3 - 2(0) - 2(0) = 0$

成立。

验证 $M_1(1, 1)$:

$f_x(1, 1) = 4(1)^3 - 2(1) - 2(1) = 4 - 2 - 2 = 0 \\ f_y(1, 1) = 4(1)^3 - 2(1) - 2(1) = 4 - 2 - 2 = 0$

成立。

验证 $M_2(-1, 1)$:

$f_x(-1, 1) = 4(-1)^3 - 2(-1) - 2(1) = -4 + 2 - 2 = -4 \\ f_y(-1, 1) = 4(1)^3 - 2(-1) - 2(1) = 4 + 2 - 2 = 4$

不成立!所以 $M_2(-1, 1)$ 不是驻点,这可能是题目出错了。

我们再尝试求出所有驻点。

第二步:求驻点

由偏导数:

$f_x = 4x^3 - 2x - 2y = 0 \quad \text{(1)} \\ f_y = 4y^3 - 2x - 2y = 0 \quad \text{(2)}$

从(1)解出 $y$:

$2y = 4x^3 - 2x \Rightarrow y = 2x^3 - x \quad \text{(3)}$

代入(2):

$4y^3 - 2x - 2y = 0$

代入(3):

$4(2x^3 - x)^3 - 2x - 2(2x^3 - x) = 0$

计算 $ (2x^3 - x)^3 $:

$(2x^3 - x)^3 = 8x^9 - 12x^7 + 6x^5 - x^3$

代入原式:

$4(8x^9 - 12x^7 + 6x^5 - x^3) - 2x - 4x^3 + 2x = 0$

化简:

$32x^9 - 48x^7 + 24x^5 - 4x^3 - 4x^3 = 0 \\ 32x^9 - 48x^7 + 24x^5 - 8x^3 = 0$

提取公因式 $4x^3$:

$4x^3(8x^6 - 12x^4 + 6x^2 - 2) = 0$

所以解为:

  • $x = 0$,代入(3)得 $y = 0$,得到驻点 $M_0(0, 0)$
  • 解方程 $8x^6 - 12x^4 + 6x^2 - 2 = 0$

令 $t = x^2$,则:

$8t^3 - 12t^2 + 6t - 2 = 0$

尝试有理根定理,试 $t = 1$:

$8(1)^3 - 12(1)^2 + 6(1) - 2 = 8 - 12 + 6 - 2 = 0$

所以 $t = 1$ 是一个根,即 $x^2 = 1 \Rightarrow x = \pm 1$

代入(3):

  • 若 $x = 1$,则 $y = 2(1)^3 - 1 = 1$,得到 $M_1(1, 1)$
  • 若 $x = -1$,则 $y = 2(-1)^3 - (-1) = -2 + 1 = -1$,得到 $M_3(-1, -1)$

所以驻点为:

  • $M_0(0, 0)$
  • $M_1(1, 1)$
  • $M_3(-1, -1)$

所以题目中给出的 $M_2(-1, 1)$ 是错误的。

第三步:判断极值类型

我们使用二阶导数判别法,即利用 Hessian 矩阵:

$H = \begin{bmatrix}f_{xx} & f_{xy} \\f_{yx} & f_{yy}\end{bmatrix}$

计算二阶偏导数:

  • $f_{xx} = 12x^2 - 2$
  • $f_{yy} = 12y^2 - 2$
  • $f_{xy} = f_{yx} = -2$

所以 Hessian 行列式为:

$D = f_{xx}f_{yy} - (f_{xy})^2 = (12x^2 - 2)(12y^2 - 2) - 4$

在 $M_0(0, 0)$:

  • $f_{xx} = -2$
  • $f_{yy} = -2$
  • $f_{xy} = -2$

$D = (-2)(-2) - (-2)^2 = 4 - 4 = 0$

D = 0,无法判断,需要进一步分析。

在 $M_1(1, 1)$:

  • $f_{xx} = 12(1)^2 - 2 = 10$
  • $f_{yy} = 12(1)^2 - 2 = 10$
  • $f_{xy} = -2$

$D = (10)(10) - (-2)^2 = 100 - 4 = 96 > 0 \\ f_{xx} = 10 > 0 \Rightarrow \text{极小值}$

在 $M_3(-1, -1)$:

  • $f_{xx} = 12(-1)^2 - 2 = 10$
  • $f_{yy} = 12(-1)^2 - 2 = 10$
  • $f_{xy} = -2$

$D = 100 - 4 = 96 > 0 \\ f_{xx} = 10 > 0 \Rightarrow \text{极小值}$

第四步:结论

  • $M_0(0, 0)$:D = 0,无法判断
  • $M_1(1, 1)$:极小值
  • $M_3(-1, -1)$:极小值

所以:

> 正确答案是:(B). $f(M_1)$ 与 $f(M_2)$ 都是函数 $f(x, y)$ 的极小值。

但注意:题目中的 $M_2(-1, 1)$ 不是驻点,应该是 $M_3(-1, -1)$。所以如果选项 (B) 中的 $M_2$ 是笔误,应为 $M_3$,则选 (B)。

✅ 最终答案:

$\boxed{\text{(B)}}$

解析

考查要点:本题主要考查多元函数的极值判断,涉及驻点求解、二阶导数判别法(Hessian矩阵)的应用。

解题核心思路:

  1. 验证驻点正确性:代入偏导数方程,排除错误驻点。
  2. 求解正确驻点:通过联立方程组解出所有驻点。
  3. 二阶导数判别法:计算Hessian矩阵及其行列式,判断极值类型。

破题关键点:

  • 驻点验证:发现题目中给出的驻点$M_2(-1,1)$不满足偏导数方程,需重新求解。
  • Hessian行列式:通过二阶偏导数判断极值,特别注意$D=0$时无法直接判断。

驻点验证与求解

  1. 验证$M_0(0,0)$:
    $f_x(0,0)=0$,$f_y(0,0)=0$,成立。
  2. 验证$M_1(1,1)$:
    $f_x(1,1)=0$,$f_y(1,1)=0$,成立。
  3. 验证$M_2(-1,1)$:
    $f_x(-1,1)=-4 \neq 0$,$f_y(-1,1)=4 \neq 0$,不成立。

正确驻点:
通过联立方程$f_x=0$和$f_y=0$,解得$M_0(0,0)$、$M_1(1,1)$、$M_3(-1,-1)$。

二阶导数判别法

  1. Hessian矩阵:
    $H = \begin{bmatrix} 12x^2 - 2 & -2 \\ -2 & 12y^2 - 2 \end{bmatrix}$
    行列式$D = (12x^2 - 2)(12y^2 - 2) - 4$。

  2. 各驻点分析:

    • $M_0(0,0)$:
      $D = (-2)(-2) - (-2)^2 = 0$,无法判断。
    • $M_1(1,1)$:
      $D = 96 > 0$,$f_{xx}=10 > 0$,极小值。
    • $M_3(-1,-1)$:
      $D = 96 > 0$,$f_{xx}=10 > 0$,极小值。

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