Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
матан.ответы.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

Описание метода

  • Составим функцию Лагранжа в виде линейной комбинации функции   и функций  , взятых с коэффициентами, называемыми множителями Лагранжа —  :

где  .

  • Составим систему из   уравнений, приравняв к нулю частные производные функции Лагранжа   по   и  .

  • Если полученная система имеет решение относительно параметров   и  , тогда точка   может быть условным экстремумом, то есть решением исходной задачи. Заметим, что это условие носит необходимый, но не достаточный характер.

Д вумерный случай

Линии уровня   и кривая  .

Пусть требуется найти экстремум некоторой функции двух переменных   при условии, задаваемом уравнением  . Мы будем считать, что все функции непрерывно дифференцируемы, и данное уравнение задает гладкую кривую   на плоскости  . Тогда задача сводится к нахождению экстремума функции   на кривой  . Будем также считать, что   не проходит через точки, в которых градиент   обращается в  .

Нарисуем на плоскости   линии уровня функции   (то есть кривые  ). Из геометрических соображений видно, что экстремумом функции   на кривой   могут быть только точки, в которых касательные к   и соответствующей линии уровня совпадают. Действительно, если кривая   пересекает линию уровня   в точке   трансверсально (то есть под некоторым ненулевым углом), то двигаясь по кривой   из точки   мы можем попасть как на линии уровня, соответствующие большему значению  , так и меньшему. Следовательно, такая точка не может быть точкой экстремума.

Тем самым, необходимым условием экстремума в нашем случае будет совпадение касательных. Чтобы записать его в аналитической форме, заметим, что оно эквивалентно параллельности градиентов функций   и   в данной точке, поскольку вектор градиента перпендикулярен касательной к линии уровня. Это условие выражается в следующей форме:

где   — некоторое число, отличное от нуля, и являющееся множителем Лагранжа.

Рассмотрим теперь функцию Лагранжа , зависящую от   и  :

Необходимым условием ее экстремума является равенство нулю градиента  . В соответствии с правилами дифференцирования, оно записывается в виде

Мы получили систему, первые два уравнения которой эквивалентны необходимому условию локального экстремума (1), а третье — уравнению  . Из нее можно найти  . При этом  , поскольку в противном случае градиент функции   обращается в нуль в точке  , что противоречит нашим предположениям. Следует заметить, что найденные таким образом точки   могут и не являться искомыми точками условного экстремума — рассмотренное условие носит необходимый, но не достаточный характер. Нахождение условного экстремума с помощью вспомогательной функции   и составляет основу метода множителей Лагранжа, примененного здесь для простейшего случая двух переменных. Оказывается, вышеприведенные рассуждения обобщаются на случай произвольного числа переменных и уравнений, задающих условия.