30563

Условный экстремум функции многих переменных. Необходимое условие экстремума. Метод множителей Лагранжа

Доклад

Математика и математический анализ

Условный экстремум функции многих переменных. Пусть требуется найти максимумы и минимумы функции f х у при условии что х и у связаны уравнением х у = 0. Подберём так чтобы для значений х и у соответствующи экстремуму функции f х у вторая скобка в равенстве 5 обратилась в нуль метод Лагранжа. Метод неопределенных множителей Лагранжа Пусть функции fx1 x2 xn и Fix1 x2 xn i = 12 k дифференцируемы в некоторой области D с Rn .

Русский

2013-08-24

274 KB

71 чел.

8. Условный экстремум функции многих переменных. Необходимое условие экстремума. Метод множителей Лагранжа

Доска:

Формулы и вычисления, используемые при ответе

Выступление:

Определение 1. Функция u=f(x1, ..., xm) имеет условный максимум (условный минимум) в точке , если существует такая окрестность U(M0) точки М0, что для всех точек M(x1, ..., xm) этой окрестности, удовлетворяющих уравнениям связи

выполняется неравенство f(M0 f(M) (f(M0 f(M)).

      Пусть требуется найти максимумы и минимумы функции f (ху) при условии, что х и у связаны уравнением (х, у) = 0.

        При наличии условия  (х, у) = 0 из двух переменных х и у независимой будет только одна, например, х, так как у определяется из равенства  (х, у) = 0 как функция от х.

Найдём полные производные  и  :

,       (1)

.        (2)

В точках экстремума , то есть    .      (3)

 также равна нулю, так как  (ху) = 0, то есть

.           (4)

Составим линейную комбинацию: . Получим:

или

    (5)

 –  неопределённыё постоянный множитель.

        Последнее равенство выполняется во всех точках экстремума. Подберём    так, чтобы для значений х и у, соответствующи экстремуму функции f  (ху),, вторая скобка в равенстве (5) обратилась в нуль (метод Лагранжа).

        Для определённости будем предполагать, что в критических точках .

        Тогда из (5) следует равенство .

        Таким образом, для отыскания экстремума получим следующую систему уравнений с тремя неизвестнымих, у,  :

                        (6)

        Из этих уравнений определяем х, у и коэффициент  , который играет только вспомогательную роль и в дальнейшем не потребуется.

Таким образом, уравнения (6) являются необходимыми условиями условного экстремума.

Метод неопределенных множителей Лагранжа

Пусть функции f(x1x2,  … , xn) и 

Fi(x1x2,  … , xn)   (i = 1,2, … ,k)  дифференцируемы в некоторой области D с Rn . Тогда задача отыскания точек условного экстремума функции f(x1x2,  … , xn) при условиях связи

Fi(x1x2,  … , xn) = 0  (i = 1,2, … ,k).

(1)

эквивалентна задаче о нахождении точек обычного (безусловного) экстремума функции Лагранжа:

L(x1,x2,…,xn; λ12,…,λk) = f(x1,x2,…,xn) +λ1 · F1(x1,x2,…,xn) +

λ2 · F2(x1,x2,…,xn) + … + λk · Fk(x1,x2,…,xm).

(2)

Схема метода Лагранжа:

1. Составляем функцию Лагранжа (2).

2. Для отыскания стационарных точек функции Лагранжа находим ее частные производные по всем аргументам

и приравниваем их к нулю.

Получаем систему (n + k) уравнений с (n + k) неизвестными:

Если (x10,…,xn0; λ10,…,λk0) — решение этой системы, то оно определяет стационарную точку (x10,…,xn0) функции f(x1,x2,…,xn) при условиях связи (1), в которой функция может иметь условный экстремум.

3. Чтобы установить наличие или отсутствие условного экстремума в каждой стационарной точке M0 , нужно исследовать знак 2–го дифференциала функции Лагранжа

при значениях дифференциалов dx1, … ,dxn , не равных одновременно нулю и удовлетворяющих продифференцированным уравнениям связи

Дополнительно:

Теорема - Дифференцирование сложных функций многих переменных. 

Пусть u  = f (х, у) задана в области D и пусть х = х(t ) и у = у(t ) определены в области , причём, когда , то х и у принадлежат области D . Пусть функция u дифференцируема в  точке M0(x0, y0, z0),  а функции х(t ) и у(t ) дифференцируемы в соответствующей точке t0, то  сложная функция u = f[x(t), y(t)]=F (t) дифференцируема в точке t0 и имеет место равенство:

.

Пример: Найти условный экстремум функции z = 2x + 3y, при условии 

Решение: Составим функцию Лагранжа

Имеем

Система имеет два решения

Далее

При  поэтому функция z = 2x + 3y в точке  имеет условный минимум, а при  следовательно функция

 z = 2x + 3y имеет в точке  условный максимум.

Геометрический смысл условного экстремума функции:

Условными экстремумами функции z = f(x,y) при F(x,y) = 0 являются ее экстремумы на линии, образующейся в сечении поверхности z = f(x,y) цилиндрической поверхностью F(x,y) = 0 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

37705. Оцінка розміру та вартості проекту за моделлю COCOMO 64.5 KB
  Тема: Оцінка розміру та вартості проекту за моделлю COCOMO Мета: набуття навиків у прогнозуванні характеристик проектів ПЗ з використанням конструктивної моделі вартості CОnstructive CОst MОdel. Короткі теоретичні відомості COCOMO це множина моделей яка дозволяє обчислити вартість проекту ПЗ на основі одиниці виміру кількість рядків коду LOC. COCOMO включає наступні моделі: базова COCOMO застосовується у фазі специфікування вимог; проміжна COCOMO застосовується у фазах розробки множин вхідних умов проекту наприклад ...
37706. Введение в экономическую теорию. Основные проблемы экономики: структура экономики, эффективность и благосостояние 123.5 KB
  Экономическая теория - одна из наук об обществе. Термин экономия впервые предложен древнегреческим мыслителем Ксенофонтом. Встречается он и работах Аристотеля (IV в. до н. э.), которого иногда называют \"отцом\" экономической науки.
37707. Однофакторний аналіз 34.27 KB
  Найбільш прості розрахунки виходять при рівній кількості дослідів на кожному рівні фактора А табл. Таблиця 1 Вихідні дані для однофакторного дисперсійного аналізу з рівним числом паралельних дослідів Рівні фактора Номер досліду 1 2 . Суму квадратів всіх дослідів ; 2 3. Суму квадратів сум по стовпцях поділену на число дослідів в стовпцю ; 3 4.
37708. Глобальна культура сучасного світу 197.5 KB
  Одне за другим виникали поняття індустріального, постіндустріального, інформаційного суспільств, що с доказом прискореного загального розвитку, і водночас песимістичні прогнози щодо глобальних викликів: екологічного
37710. БЛОК МИКРОПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ. РАБОТА С ОПЕРАТИВНОЙ ПАМЯТЬЮ 208 KB
  Изучение структуры и функций блока микропрограммного управления БМУ, составление и отладка микропрограмм обработки данных, записанных в ОП, с использованием циклов и подпрограмм.
37711. ВИМІРЮВАННЯ КОЕФІЦІЄНТА НЕЛІНІЙНИХ СПОТВОРЕНЬ 74.5 KB
  МЕТА РОБОТИ вивчити методи вимірювання коефіцієнта нелінійних спотворень; набуття навичок роботи з сучасним вимірювачем нелінійних спотворень. Причиною виникнення нелінійних спотворень у радіоелектронних колах є нелінійність вольтамперних характеристик діодів транзисторів мікросхем ламп а також нелінійні залежності в магнітних або п'єзоелектричних елементах. Прилади для вимірювання коефіцієнта гармонік називають вимірниками нелінійних спотворень.
37713. Ознайомлення з інструментальним середовищем Lazarus 306.24 KB
  Ознайомитись із середовищем програмування Lazarus. Написати програму яка забезпечує обчислення радіуса вписаного в трикутник кола за його сторонами.