Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

практикум по математике часть 3

.pdf
Скачиваний:
136
Добавлен:
15.02.2015
Размер:
5 Мб
Скачать
☆

функции F . В сечении поверхности F плоскостью 3x1 + x2 =15 имеем

параболу, которая в точке L имеет минимум F равный отрезку KL. При пересечении плоскости 4x1 + 7x2 = 71 той же поверхности F имеем в точке T

min F ,

равный отрезку РТ. При сечении поверхности F

плоскостью

2x1 −5x2 = −7 имеем в точке N min F , равный отрезку MN.

 

 

Но значения всех трех условных экстремумов функции F находятся

между

наименьшим min F = 0 и наибольшим max F =SC

значениями

целевой функции. Поэтому применение метода множителей Лагранжа в данном примере приведет к решению, которое не будет востребовано в данной задаче. Таким образом, здесь остается только геометрический метод решения задачи квадратичного программирования. Аналитический метод, пожалуй, можно свести к задаче определения наибольшего и наименьшего значения функции F в точках О,A, B, C без применения метода множителей Лагранжа.

На рис. 3.5, 3.6 решен пример 3. Результаты решения: точка D обеспечивает min F = TD , точка С дает max F =SC . В сечении поверхности F плоскостью 3x1 + x2 =15 , на которой лежит отрезок АВ, имеем параболу,

которая в точке D принимает минимальное значение min F равное отрезку TD. Этот условный минимум совпадает с минимумом целевой функции нашей задачи.

Обратим внимание, что точка D на рис. 3.6 была найдена в результате касания окружности с центром (0,5) (проекция линии уровня поверхности F )

спрямой АВ (геометрическая интерпретация одного из ограничений задачи квадратичного программирования). Это дает нам основание включить точку D в аналитическое исследование с помощью множителей Лагранжа.

На рис. 3.5,3.6 можно наблюдать точку N (точку касания окружности

сцентром (0,5) и прямой ВС ) и условный экстремум min F = MN . Но не смотря на это, включать точку N в исследования с помощью метода множителей Лагранжа нет смысла, т.к. это решение не будет востребовано:

TD < MN < SC .

Система (3.12) является необходимым условием существования локального условного экстремума, но не достаточным

Каждое решениеполучившуюся точку подозрительную на экстремум – надо проверить с помощью достаточного условия условного экстремума.

Пусть M * (x1* , x*2 )и λ*j – решение системы (3.12). Вычислить определитель:

60

максимум, при условии g j (x1, x2 ).

 

0

 

 

∂

 

g j (M * )

 

 

∂

 

 

g j (M * )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x1

 

 

∂x2

 

 

= −

 

∂

 

g j (M * )

 

∂2

 

Lj (M * ,λ*j )

 

∂2

 

 

Lj (M * ,λ*j

)

(3.13)

 

 

 

∂x 2

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x1

 

 

 

∂x1∂x2

 

 

 

 

 

 

g j (M * )

1

 

 

Lj (M * ,λ*j )

 

 

 

 

Lj (M * ,λ*j )

 

 

 

 

∂

 

∂2

 

 

∂2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x22

 

 

 

∂x2

∂x1∂x2

 

 

 

 

 

 

Если < 0 , то функция f (x1, x2 ) имеет в точке M * (x1* , x2* ) условный

Если > 0 – условный минимум.

3.2.Решение типовых задач и примеров

Задача 1. Найти значения переменных x1, x2 , при которых обеспечивается

максимум (минимум) целевой функции F при заданных ограничительных условиях.

Задачу решить методами: графическим и методом множителей Лагранжа.

F = x2 − x12 + 6x1

при условии

x1 + 2x2 ≤153x1 + 2x2 ≤ 24x1 ≥ 0, x2 ≥ 0

Графический метод решения.

Строим область допустимых решений, определяемую соотношениями неравенств задачи (рис.3.2). Такой областью является четырехугольник ОАВС.

Проекции линий уровня определяются формулой для целевой функции F : x2 − x12 + 6x1 = x2 − (x1 −3)2 + 9 =C = const , где С- произвольное

постоянное число. Геометрически получаем семейство парабол, которые в зависимости от значения числа С перемещается параллельно друг другу по прямой x1 = 3 в направлении оси Ox2 . Чем больше С, тем выше размещена

парабола, тем больше значение целевой функции F и наоборот.

Строим эти линии (параболы) так, чтобы они касались четырехугольника ОАВС. В нашем случае получились две точки касания: точка N- точка касания параболы с отрезком OC, точка D-точка касания параболы с отрезком AB. Тогда нижняя парабола (точка N) обеспечит min F , верхняя (точка D)- max F .

61

Осталось только найти эти точки.

Точка N- вершина параболы, касающаяся прямой x2 = 0.

Для определения точки касания надо решить систему уравнений

x2 − (x1 − 3)2 + 9 =Cx2 = 0

Но значение С неизвестно. x2 = 0- уравнение касательной к параболе

с угловым коэффициентом равным нулю.

Если x2 = (x1 − 3)2 + C −9 - парабола, то x2/ = 2(x1 −3)- угловой коэффициент всех касательных к параболе в том числе и касательной x2 = 0,

т.е. 2(x1 −3)= 0 , откуда x1 =3.

Координаты точки N: x1N = 3, x2 N = 0 . Подставляя эти значения в формулу для F , имеем

min F = 0 − 32 + 6 3 = 9.

Точка D- точка касания параболы x2 − (x1 −3)2 + 9 =C с отрезком АВ, уравнение которого x1 + 2x2 =15 .

Как уже было определено, угловой коэффициент всех касательных к

параболе равен x/

= 2(x

−3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определим угловой коэффициент прямой АВ- kAB

 

x − 2x

 

=15;

x

 

= −

1

x +

15

;

k

 

= −

1

.

 

 

 

 

2

 

2

 

1

 

 

2

 

1

 

 

2

2

 

1

 

 

AB

 

 

Тогда x / =

2(x

1

−3)= −

; откуда x

= 2,75.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

При этом x2 = −1

 

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,75 +

= 6,125.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Координаты точки D : x1D = 2,75;

x2D = 6,125

 

 

 

Целевая функция в точке D имеет значение

 

 

 

 

max F = 6,125 − 2,752 + 6 2,75 =15,0625

Решение задачи: при x1 = 3, x2 = 0 имеем min F =9 ,

при x1 = 2,75, x2 = 6,125 имеем max F =15,0625

Решение задачи методом множителей Лагранжа.

Геометрический метод подсказывает: точки N и D подозрительны на условный экстремум. Последовательно проверим каждую точку.

Для точки N задача условного экстремума формулируется так. Найти экстремум функции F = x2 − x12 +6x1 при условии x2 = 0. Составляем функцию Лагранжа:

L(x1, x2 ,λ1 )= x2 − x12 + 6x1 + λ1(0 − x2 ).

62

Находим частные производные ∂L ,i =1,2,

∂xi

нулю и решаем полученную систему уравнений.

 

∂L

=

 

 

∂

 

(x

 

 

− x2

+ 6x

− λ x

 

 

)= −2x

+ 6 = 0

 

∂x

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

1

1

2

 

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂L

=

 

 

∂

(x

 

− x2

+ 6x

− λ x

 

 

)=1 − λ =

0

 

 

 

 

 

2

2

∂x2

 

 

 

 

 

∂x2

 

 

 

1

1

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂L

=

 

 

∂

(x

 

− x2

+ 6x

− λ x

 

 

)= −x

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂λ1

 

 

 

 

 

∂λ1

 

 

 

2

1

1

1

 

2

 

2

 

 

∂L , приравниваем их к

∂λ1

x1 = 3

λ1 =1x2 = 0

Проверим подозрительную на экстремум точку N (3,0), λ1 =1 с

помощью достаточного условия условного экстремума. Для этого вычислим необходимые частные производные в этой точке и подставим их в определитель третьего порядка.

 

∂

 

 

g

 

(N)=

∂

 

x

 

 

 

 

 

= 0 ;

 

∂

 

g

 

(N)=

 

 

∂

 

 

x

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2

 

 

 

 

 

∂2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(N,λ )=

 

(x

 

− x2

+ 6x − λ x

 

)

 

 

 

 

 

 

=

 

 

∂

 

 

(− 2x + 6)

 

 

= −2

 

∂x2

∂x2

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

1

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N,λ1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

N,λ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2

 

 

(x

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

∂

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(N,λ )=

 

 

 

 

 

 

 

− x2

+ 6x

− λ x

 

 

 

 

 

 

=

 

 

(1 − λ )

 

= 0

 

∂x

∂x

 

 

 

 

∂x ∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N,λ1

 

 

 

1

 

 

 

N,λ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2

 

 

 

 

∂2

 

(x

 

 

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂

 

 

 

 

 

 

 

 

L(N,λ )=

 

 

 

− x2

+ 6x

− λ x

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

(1 − λ )

= 0

 

 

∂x2

 

∂x2

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

1

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

1

 

 

 

 

 

N,λ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N,λ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

0 − 2

 

0

 

= −2 < 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция

F = x

2

− x2 +6x

 

 

в

 

 

точке

 

 

 

N

 

(3,0)

 

 

имеет

условный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

максимум,

 

 

 

 

 

при

условии

 

 

x2 = 0,

 

 

но

 

 

 

для

 

 

 

задачи

квадратичного

программирования это будет min F .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для точки D задача условного экстремума формулируется так.

Найти

 

экстремум

 

функции

 

 

F = x

2

 

− x2

 

+6x

при

условии

x1 + 2x2 =15 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Составляем функцию Лагранжа:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(x1 , x2 ,λ2 )= x2 − x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− x1 − 2x2 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11 + 6x1 + λ2 (15

 

 

 

 

 

 

 

63

 

 

 

 

 

 

Находим частные производные

∂L

,i

=1,2,

∂L

 

, приравниваем их к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂λ

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нулю и решаем полученную систему уравнений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂L

 

=

 

 

 

∂

 

(x

 

 

 

 

− x2

+ 6x

+ λ

 

 

(15 − x − 2x

 

 

 

 

))= −2x

 

+ 6 − λ

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

∂x

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂L

=

 

 

∂

(x

 

 

 

 

− x2

+ 6x

 

+ λ

 

 

(15 − x − 2x

 

 

 

))=1 − 2λ

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x2

 

 

∂x2

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂L

=

 

 

 

 

∂

 

 

 

 

(x

 

 

− x

2

+

6x

 

+ λ

 

 

(15

− x − 2x

 

 

 

))

=15 − x

 

− 2x

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂λ2

 

 

 

 

2

 

1

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

− 2x1 + 6 − 0,5 = 0

 

 

 

 

 

 

 

x1

= 2,75

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

= 0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 6,125

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

− 2,75 − 2x

2

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С помощью достаточного условия условного экстремума проверим

точку D (2,75;6,125), λ2 = 0,5 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂

 

 

 

 

 

 

 

 

∂

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g2 (D)=

 

 

 

 

 

 

 

(x1 + 2x2 )

=1;

 

 

 

 

 

 

g2 (D)=

 

 

 

 

(x1 + 2x2 )

= 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

∂2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(D,λ2 )=

 

(x2 − x12 + 6x1 + λ2 (15 − x1 − 2x2 ))

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x2

∂x2

 

D,λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

(− 2x + 6 −λ

2

)

 

 

 

 

 

= −2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D,λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(D,λ2 )=

 

 

 

 

 

 

 

(x2 − x12 + 6x1 + λ2 (15 − x1 − 2x2 ))

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x ∂x

 

 

∂x

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D,λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

∂

(1− 2λ2 )

 

 

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x1

 

 

 

∂

 

 

 

 

 

 

 

D,λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(D,λ2 )=

 

(x2 − x12 + 6x1 + λ2 (15 − x1 − 2x2 ))

 

 

=

 

 

 

 

 

 

(1− 2λ2 )

 

= 0

 

 

∂x2

∂x2

 

 

 

 

∂x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

D,λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D,λ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

1 − 2

0

 

= −4 < 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция

 

F = x

2

− x2 +6x

 

 

 

в точке D

 

 

 

(2,75;6,125) имеет условный

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

максимум, при условии x1 + 2x2 =15 .

Решения задачи двумя методами совпали.

64

Задача 2. Найти значения переменных x1, x2 , при которых обеспечивается

максимум (минимум) целевой функции F при заданных ограничительных условиях.

Задачу решить двумя методами: графическим и методом множителей Лагранжа.

F = (x1 −15)2 +(x2 −22)2

при условиях

4x1

+ 7x2

≤84

2x

− x

2

≥ −4

 

1

 

 

 

 

 

−3x2 ≤8

2x1

7x

+ 6x

2

≥ 42

 

1

 

 

 

 

≥ 0, x2 ≥ 0

x1

Решение.

Графический метод решения задачи.

Строим область допустимых решений, определяемую системой неравенств в условии задачи. Такой областью будет четырехугольник ABCD (рис.3.7).

Геометрическая модель проекций линий уровня поверхности F

на

плоскость x1Ox2 являются окружности

с центром в точке

O (15;22)

и

радиусом

F ,

которые

описываются

уравнением:

(x1 −15)2 + (x2 − 22)2 = (

F )2

 

 

 

О

x2

 

12

В

2x1 − x2 = −4

 

Е

7

7 x 1 + 6 x 2 =

42

 

 

 

 

А

 

D

 

С

 

 

4x1 + 7x2 =84

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–1

 

1

4 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x1

−3x2 =8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.7

65

По величине радиуса можно сразу определить значение целевой функции F .

Из всего семейства окружностей с центром в точке О (15;22) выбираем две.

Первая окружность с самым малым радиусом касается четырехугольника АВСD на прямой ВС в точке Е. Это значит: в точке Е обеспечивается min F при соблюдении условий ограничений.

Вторая окружность с наибольшим радиусом касается четырехугольника ABCD в вершине D. Это значит: в точке D обеспечивается maxF при соблюдении условий ограничений.

Значит, координаты точек E и D есть решение задачи. Осталось только их определить.

Уравнение ВС: 4x1 + 7x2 =84 .

Радиус ОЕ перпендикулярен касательной ВС. Тогда уравнение ОЕ как уравнение прямой проходящей через точку О (15;22) перпендикулярно

прямой ВС имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1 −15

=

x2 − 22

7(x −15)= 4(x

2

− 22) 7x − 4x

2

−17 = 0

 

 

 

4

7

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Точка Е является точкой пересечения прямых ВС и ОЕ.

 

Она находится решением системы уравнений:

 

 

 

 

 

 

4x

+ 7x

 

=84

 

x = 7

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

7x1 − 4x2 =17

 

 

x2 =8

 

 

Точка Е (7;8) найдена, при этом min F = (7 −15)2 + (8 − 22)2 = 260 . Точка D является точкой пересечения прямых DC: ( 2x1 − 3x2 =8 ) и AB: (7x1 + 6x2 = 42). Найдем координаты точки D в результате решения системы:

 

 

 

 

2x

−3x

 

=8

 

x =

58

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7x1 + 6x2 = 42

 

 

 

 

28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

58

;

28

 

 

 

 

 

 

 

58

 

 

 

 

28

 

Точка D

11

33

определяет max F

=

 

−15

+

− 22

=542.

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

 

 

 

 

33

 

 

Решение задачи методом множителей Лагранжа.

Точка D обеспечивает max F не являясь условным экстремумом (отсутствует касание окружности с прямой). В этой точке имеет место наибольшее значение функции на границе условий. Поэтому проверить эту точку методом множителей Лагранжа нельзя.

Точка Е обеспечивает min F и является подозрительной на условный экстремум функции F (здесь имеет место касание окружности с прямой ВС).

66

Для точки Е задача условного экстремума формулируется следующим образом: найти экстремум функции F = (x1 −15)2 +(x2 −22)2 при условии

4x1 + 7x2 =84 .

Составляем функцию Лагранжа:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L(x1 , x2 ,λ)= (x1 −15)2 + (x2 − 22)2 + λ(84 − 4x1 −7x2 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Находим частные производные

 

∂L

,i =1,2, ∂L , приравниваем их к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂xi

 

∂λ

 

 

нулю и решаем полученную систему уравнений.

 

 

 

∂L

=

 

 

∂

((x1 −15)

2

+

(x2 − 22)

2

+ λ(84 − 4x1

−7x2 ))= 2(x1

−15)− 4λ = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

 

 

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

((x1 −15)

 

 

 

 

 

 

−7x2 ))= 2(x2

 

 

 

 

∂L

=

 

 

∂

 

2

+ (x2 − 22)

2

+ λ(84 − 4x1

− 22)−7λ = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x2

 

 

∂x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂L

=

 

 

∂

((x1 −15)2

 

+ (x2 − 22)2 + λ(84 − 4x1 −7x2 ))= 84 − 4x1 −7x2 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂λ

 

∂λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x

−30 = 4λ

 

 

 

14x1 − 210 = 28λ

 

 

14x1 − 210 =8x2

−176

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x2 − 44 = 7λ

 

 

 

 

 

 

 

 

4x

+ 7x

2

=84

 

 

 

8x2 −176 = 28λ

 

 

 

4x1

+ 7x2 =84

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7x

− 4x

 

 

=17

 

x1 = 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

2

 

x2 = 8

 

 

 

 

 

 

 

 

4x1

+ 7x2 =84

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ = −4

 

 

 

 

 

 

 

С помощью достаточного условия условного экстремума проверим является ли подозрительная на условный экстремум точка Е (7;8), λ = −4 таковой.

 

 

∂

g(E)=

∂

(4x1 + 7x2 )

= 4 ;

∂

 

g(E)=

∂

 

(4x1 + 7x2 )

 

= 7

 

 

∂x

∂x

∂x

 

∂x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

E

 

2

 

 

2

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

∂2

L(E,λ)=

∂2

((x1 −15)2 + (x2 − 22)2 + λ(84 − 4x1 − 7x2 ))

 

=

∂x2

∂x2

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E,λ

= ∂∂x1 (2(x1 −15)− 4λ)E,λ = 2

∂2

 

L(E,λ)=

∂2

 

((x1 −15)2 + (x2 − 22)2 + λ(84 − 4x1 − 7x2 ))

=

 

∂x ∂x

 

∂x ∂x

 

 

1

2

 

1

2

 

∂

 

E,λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

(2(x2 − 22)− 7λ)

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x1

 

E,λ

 

 

 

 

 

 

 

67

∂2

L(E,λ)=

∂2

((x1 −15)2 + (x2 − 22)2 + λ(84 − 4x1 − 7x2 ))

=

 

 

∂x2

∂x2

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

∂

 

E,λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

(2(x2 − 22)− 7λ)

 

= 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

4

7

 

 

∂x2

 

E,λ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=130 > 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

7

2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

2

0

2

 

 

 

 

 

 

 

Функция F = (x1 −15)2 + (x2 − 22)2 в точке Е (7;8) имеет условный минимум, при условии 4x1 + 7x2 =84 и этот min F=260 является min F

задачи математического программирования.

Решения задачи с помощью двух методов совпали.

3.3. Задания на контрольную работу

Найти значения переменных x1, x2 , при которых обеспечивается

максимум (минимум) целевой функции F при заданных ограничительных условиях.

Задачу решить двумя методами: графическим и методом множителей Лагранжа.

 

3x

+ 5x

 

≥14

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

f (x)= −x

 

 

 

 

1.

x1

− 4x2 ≥ −17

2 + 6x + x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

6x1 − 7x2 ≤11

 

 

 

 

 

 

x

≥ 0,

 

 

x

2

≥ 0

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

−3x

 

 

≤ 4

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

5x1 −2x2 ≥ 7

f (x)= (x1

2

 

 

2

 

4x

+ x

 

≤

29

+ 7) + (x2

−8)

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

≥ 0,

 

 

x

2

≥ 0

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x

− x

 

 

≥ −3

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

f (x)= x 2

 

 

 

 

3.

x1

+ x2 ≤ 7

 

− 6x

2

− x

 

 

 

x

−2x

 

 

≤

4

2

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

≥ 0,

 

 

x

2

≥ 0

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

68

 

7x −3x

 

 

 

≤ 40

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

4. 12x1 +5x2 ≥ 28

 

 

2x −11x

2

≥ −90

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

x

≥ 0,

 

 

 

 

x

2

≥ 0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

−

2x

 

 

≥ −1

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

5. 7x1 − 2x2 ≥17

 

 

x

+

2x

2

 

≤ 23

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

≥ 0,

 

 

 

x

2

≥ 0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

+ 2x

 

 

 

≥ 8

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

6.

x1 − 4x2 ≥ −28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7x1 + 2x2 ≤ 44

 

x

≥ 0,

 

 

 

 

x

2

≥ 0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x + 4x

 

 

≥ 24

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

7.

x1

− x2 ≤1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x1 −10x2 ≥ −60

 

x

≥ 0,

 

 

 

x

2

≥ 0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

−

3x

 

 

 

 

≥ −11

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

8.

2x1 +3x2 ≤ 41

 

x

+

4x

 

 

 

≥17

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

≥ 0,

 

 

 

x

2

≥ 0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2x + x

 

 

≥12

 

 

 

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

9. 3x1 − 7x2 ≥ −33

 

9x1 − 2x2 ≤ 72

 

x

≥ 0,

 

 

 

x

2

≥ 0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3x1 −5x2 ≤ 2

10.5x1 + 4x2 ≥ 28

2x1 +9x2 ≤100

x1 ≥ 0, x2 ≥ 0

f (x)= (x1 − 21)2 +(x2 +3)2

f (x)= x2 − x12 +10x1

f (x)= (x1 + 4)2 + (x2 +9)2

f (x)= x2 − x12 +8x1

f (x)= (x1 +3)2 +(x2 + 29)2

f (x)= x1 − x22 +12x2

f (x)= (x1 −15)2 +(x2 +5)2

69