ML(附录4)——拉格朗日乘数法

时间:2022-09-22 14:02:47

  基本的拉格朗日乘子法(又称为拉格朗日乘数法),就是求函数 f(x1,x2,...) 在 g(x1,x2,...)=C 的约束条件下的极值的方法。其主要思想是引入一个新的参数 λ (即拉格朗日乘子),将约束条件函数与原函数联系到一起,使能配成与变量数量相等的等式方程,从而求出得到原函数极值的各个变量的解。拉格朗日乘子是数学分析中同一名词的推广。

什么是拉格朗日乘数法

  简单地说,拉格朗日乘数法是用来最小化或最大化多元函数的。如果有一个方程f(x,y,z),在这个方程里的变量之间不是独立的,也就是说这些变量之间是有联系的,这个联系可能是某个方程g(x,y,z) = C;也就是g(x,y,z) = C定义了x,y,z之间的关系,这个关系对变量做出了一定的的限制,我们需要在这个限制下来最小化或最大化f(x,y,z)。

  这里的最值不能简单地使用临界点,因为临界点通常不满足关系方程g。如何解决这个问题呢?当这个限制g(x,y,z)非常简单的时候,我们可以解出其中一个变量的表达式,把这个表达式代入f(x,y,z)后求得最值,这也是中学阶段常用的方法。但问题是,很多时候我们并不能解出x,y,z,因为关系方程g太复杂了,这就需要一个全新的方法求解,拉格朗日乘数法就是其中一种。

寻找最值

  示例:找出双曲线xy = 3上离原点最近的点。

  如果(x, y)是曲线上的点,原点到该点的距离是:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  求离原点最近的点实际上是求f(x,y)的最小值。可以使用一个更容易的方程去掉根号:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  在计算最小值时候有一个限制是:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  把这个较为简单的例子用等高线图表示:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  很明显,当f和g相切的时候,能得到f的最小值。如果把双曲线看作自身的等高线,那么当f的等高线和g的等高线相切时,f值最小。实际上这也是找到最值的一般情形。

  如果两个等高线相切,则二者在切点处的切线也相同,也就是说它们的梯度向量平行,即:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  如果两个向量平行,则其中一个向量是另一个向量的倍数,由此得到:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  这里的λ是一个常数,我们需要做的是找到这个λ和特定的(x,y)使得上式成立。这实际上是把2个变量加一个关系限制的最值问题转换为一个含有3个变量的方程组。

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  现在已经通过梯度向量平行,将原来的最值问题转换为一般的方程组,这个方程组被称为拉格朗日方程组,它的解就是最值点。

  接下来就是解方程组,可以将其看作是关于xy的矩阵方程:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  一个满足方程组的解是x = 0, y = 0,但这个解不满约束条件g(x,y) = xy = 3;此外,只有当系数行列式的值是0时,方程才有多个解:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  把两个值分别代入方程组:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  现在可以回答原问题,双曲线xy = 3距离原点最近的点有两个:(31/2, 31/2)和(-31/2, -31/2)。

  在这个例子中,λ就是拉格朗日乘子。

最小值和最大值

  拉格朗日乘数法并不会告诉我们最值的类型,结果可能是最大值、最小值或鞍点,由于存在限制条件,这里也不能像《多变量微积分3——二元函数的极值》那样使用二阶导数判断。那么如何判断是最大值还是最小值呢?只能通过将拉格朗日方程组的解代入问题方程f来判断。举例来说,如果有三组解,代入f后分别是4,6,9,在不存在边界值时,4就是最小值,9就是最大值;如果存在边界,还需要比较边界值。在双曲线的例子中,由于能够确定边界在无穷远处,所以其结果就是最小值。

表面积最小的金字塔

  给定金字塔的体积和底面积(底面的三边确定,分别是a1,a2,a3),如何建造一个表面积最小的金字塔?

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  如上图所示,将金字塔模型放入三维坐标系中,底面对应xy轴。由于体积和底面积已知,根据体积公式,高也是定值,那么实际问题就是回答Q点的位置。一种思路是利用向量的叉积计算三角形的面积(参考《线性代数笔记4——向量3(叉积)》):

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  展开后将得到一个很长的式子,看起来并不是什么好方法。现在换一种思路,利用三角形面积的几何公式,如下图所示:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  h1是三角形PP1P2的高,设点Q是(x,y,0),则:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  这就转换成了有三个变量的函数,目标是求得f的最小值:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  接下来需要寻找约束条件g。由于a1⊥h1且a1⊥h,所以a1垂直于h1和h所在的平面,a1⊥u1

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  上图可知:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  这就是约束条件g:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  知道了f和g,就可以使用拉格朗日乘数法:

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  当Q点的位置距离三边距离相等时,金字塔的表面积最小。

  备注:

  f对u1偏导将u2和u3看作常数,这相当于求f(u)的导数,

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

综合示例

示例1

  在椭圆x+ 4y2 = 4中有内接的矩形,该矩形的边平行于x轴和y轴,找出这些矩形中周长最大的一个。

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  如上图所示,长方形的周长函数是f(x,y) = 4x + 4y,约束函数g(x,y) = x+ 4y2 = 4

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  由于拉格朗日乘数法无法确定最值的类型,所以还要对函数边界进行计算。当P在椭圆上移动时,如果正好落在x轴上,则长方形退化成直线,此时 ML(附录4)——拉格朗日乘数法;另一个极值是ML(附录4)——拉格朗日乘数法,所以判定ML(附录4)——拉格朗日乘数法 是最大值,此时长方形的一点的坐标是ML(附录4)——拉格朗日乘数法

示例2

  计算f(x,y,z)= x+ x + 2y2 + 3z2在约束条件x+ y2 + z= 1下的最值。

ML(附录4)——拉格朗日乘数法

  由于约束条件是球体,所以不存在边界,只需把这些解导入f即可。当点在(-1,0,0)时,f最小,f = 0;当点在(1/4,0,±151/2/4)时f最大,f = 25/8


  作者:我是8位的

  出处:http://www.cnblogs.com/bigmonkey

  本文以学习、研究和分享为主,如需转载,请联系本人,标明作者和出处,非商业用途!

  扫描二维码关注公众号“我是8位的”

  ML(附录4)——拉格朗日乘数法

ML(附录4)——拉格朗日乘数法的更多相关文章

  1. [Math & Algorithm] 拉格朗日乘数法

    拉格朗日乘数法(Lagrange Multiplier Method)之前听数学老师授课的时候就是一知半解,现在越发感觉拉格朗日乘数法应用的广泛性,所以特意抽时间学习了麻省理工学院的在线数学课程.新学 ...

  2. 《University Calculus》-chaper12-多元函数-拉格朗日乘数法

    求解条件极值的方法:拉格朗日乘数法 基于对多元函数极值方法的了解,再具体的问题中我们发现这样一个问题,在求解f(x,y,z)的极值的时候,我们需要极值点落在g(x,y,z)上这种对极值点有约束条件,通 ...

  3. bzoj2876 [NOI2012]骑行川藏(拉格朗日乘数法)

    题目描述 蛋蛋非常热衷于挑战自我,今年暑假他准备沿川藏线骑着自行车从成都前往拉萨.川藏线的沿途有着非常美丽的风景,但在这一路上也有着很多的艰难险阻,路况变化多端,而蛋蛋的体力十分有限,因此在每天的骑行 ...

  4. CodeChef TWOROADS(计算几何+拉格朗日乘数法)

    题面 传送门 简要题意:给出\(n\)个点,请求出两条直线,并最小化每个点到离它最近的那条直线的距离的平方和,\(n\leq 100\) orz Shinbokuow 前置芝士 给出\(n\)个点,请 ...

  5. BZOJ3775: 点和直线(计算几何+拉格朗日乘数法)

    题面 传送门 题解 劲啊-- 没有和\(Claris\)一样推,用了类似于\(Shinbokuow\)推已知点求最短直线的方法,结果\(WA\)了好几个小时,拿\(Claris\)代码拍了几个小时都没 ...

  6. BZOJ2876 [Noi2012]骑行川藏 【拉格朗日乘数法】

    题目链接 BZOJ 题解 拉格朗日乘数法 拉格朗日乘数法用以求多元函数在约束下的极值 我们设多元函数\(f(x_1,x_2,x_3,\dots,x_n)\) 以及限制\(g(x_1,x_2,x_3,\ ...

  7. 拉格朗日乘数法 和 KTT条件

    预备知识 令 \(X\) 表示一个变量组(向量) \((x_1, x_2, \cdots, x_n)\) 考虑一个处处可导的函数 \(f(X)\), 为了方便描述, 这里以二元函数为例 对于微分, 考 ...

  8. CodeForces - 813C The Tag Game(拉格朗日乘数法,限制条件求最值)

    [传送门]http://codeforces.com/problemset/problem/813/C [题意]给定整数a,b,c,s,求使得  xa yb zc值最大的实数 x,y,z , 其中x ...

  9. Wannafly模拟赛2 B river(拉格朗日乘数法)

    题目 https://www.nowcoder.com/acm/contest/4/B题意 有n条南北流向的河并列排着,水流速度是v,现在你需要从西岸游到东岸,总共T个时间,你的游泳速度是u,问东岸的 ...

随机推荐

  1. Netty 系列之 Netty 高性能之道

    1. 背景 1.1. 惊人的性能数据 最近一个圈内朋友通过私信告诉我,通过使用 Netty4 + Thrift 压缩二进制编解码技术,他们实现了 10 W TPS(1 K 的复杂 POJO 对象)的跨 ...

  2. JavaBean出现的目的

    一.JavaBean出现的目的 由于只用JSP开发会发现使用了很多的Scriptlet,会使得jsp文件非常混乱.如果使用了JavaBean,则可以大大减少JSP中代码量. JSP的理想状态是只负责显 ...

  3. MySQL常用数据类型小结

    在 MySQL 中,有三种主要的类型:字符串.数字和日期/时间类型. 目录 [隐藏]  1 字符串类型 2 数值类型 3 日期和时间类型 4 使用建议 5 艺搜参考 字符串类型 CHAR 0-255字 ...

  4. Qt数据库操作(qt-win-commercial-src-4.3.1,VC6,Oracle,SQL Server)

    qt-win-commercial-src-4.3.1.qt-x11-commercial-src-4.3.1Microsoft Visual C++ 6.0.KDevelop 3.5.0Window ...

  5. node系列1

    NodeJS基础 JS是脚本语言,脚本语言都需要一个解析器才能运行,NodeJS就是一个解析器.nodejs.org 打开终端,键入node进入命令交互模式,可以输入一条代码语句后立即执行并显示结果 ...

  6. DIV+CSS 入门

    玩一小会儿前csdn什么时候,页面上的加qq而微博,我认为这是美好的.牛腩完成.运营商也开始了他真正的学习B/S之旅. 刚開始的时候,我不知道<div>是什么 也不清楚CSS用来干什么的, ...

  7. ios中判断控制台Log输出控制,是否是iphone5,自动调整尺寸

    // 控制台Log输出控制,此确保在release版本下无Log输出 #ifdef DEBUG #define CMBLOG          NSLog #else #define CMBLOG  ...

  8. 【python之路12】三元运算符(if)

    1.三元运算符条件语句 普通if条件是这样写的: n = 1 if n > 0: st = '大于0' else: st = '小于等于0' print(st) 三元运算符的写法: n = 1 ...

  9. JQuery中常用的选择器

    属性选择器 1>  [attribute] 概述:匹配包含给定属性的元素. 示例 jQuery 代码:$("div[id]") 描述:查找所有含有 id 属性的 div 元素 ...

  10. &lbrack;HEOI2016&rsqb;游戏

    二分图匹配(网络流实现) # include <bits/stdc++.h> # define IL inline # define RG register # define Fill(a ...