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拉格朗日常數(shù)法(拉格朗日常數(shù)法求無條件極值)

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1. 拉格朗日常數(shù)法求無條件極值

  在數(shù)學最優(yōu)化問題中,拉格朗日乘數(shù)法(以數(shù)學家約瑟夫·路易斯·拉格朗日命名)是一種尋找變量受一個或多個條件所限制的多元函數(shù)的極值的方法。

這種方法將一個有n 個變量與k 個約束條件的最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為一個有n + k個變量的方程組的極值問題,其變量不受任何約束。這種方法引入了一種新的標量未知數(shù),即拉格朗日乘數(shù):約束方程的梯度(gradient)的線性組合里每個向量的系數(shù)。此方法的證明牽涉到偏微分,全微分或鏈法,從而找到能讓設出的隱函數(shù)的微分為零的未知數(shù)的值。

2. 拉格朗日函數(shù)求條件極值

函數(shù)需要滿足完整約束。拉格朗日函數(shù)是在力學系上只有保守力的作用,是描述整個物理系統(tǒng)的動力狀態(tài)的函數(shù)。

在分析力學里,假設已知一個系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù),則可以將拉格朗日量直接代入拉格朗日方程,稍加運算,即可求得此系統(tǒng)的運動方程。

在力學系上只有保守力的作用,則力學系及其運動條件就完全可以用拉格朗日函數(shù)表示出來。這里說的運動條件是指系統(tǒng)所受的主動力和約束。因此,給定了拉氏函數(shù)的明顯形式就等于給出了一個確定的力學系。拉氏函數(shù)是力學系的特性函數(shù)。

3. 條件極值拉格朗日函數(shù)

多元函數(shù)的極值及最大值、最小值

定義設函數(shù)在點的某個鄰域內(nèi)有定義,對于該鄰域內(nèi)異于的點,如果都適合不等式

,

則稱函數(shù)在點有極大值。如果都適合不等式

,

則稱函數(shù)在點有極小值.極大值、極小值統(tǒng)稱為極值。使函數(shù)取得極值的點稱為極值點。

例1函數(shù)在點(0,0)處有極小值。因為對于點(0,0)的任一鄰域內(nèi)異于(0,0)的點,函數(shù)值都為正,而在點(0,0)處的函數(shù)值為零。從幾何上看這是顯然的,因為點(0,0,0)是開口朝上的橢圓拋物面的頂點。

例2函數(shù)在點(0,0)處有極大值。因為在點(0,0)處函數(shù)值為零,而對于點(0,0)的任一鄰域內(nèi)異于(0,0)的點,函數(shù)值都為負,點(0,0,0)是位于平面下方的錐面的頂點。

例3 函數(shù)在點(0,0)處既不取得極大值也不取得極小值。因為在點(0,0)處的函數(shù)值為零,而在點(0,0)的任一鄰域內(nèi),總有使函數(shù)值為正的點,也有使函數(shù)值為負的點。

定理1(必要條件)設函數(shù)在點具有偏導數(shù),且在點處有極值,則它在該點的偏導數(shù)必然為零:

證不妨設在點處有極大值。依極大值的定義,在點的某鄰域內(nèi)異于的點都適合不等式

特殊地,在該鄰域內(nèi)取,而的點,也應適合不等式

這表明一元函數(shù)在處取得極大值,因此必有

類似地可證

從幾何上看,這時如果曲面在點處有切平面,則切平面

成為平行于坐標面的平面。

仿照一元函數(shù),凡是能使同時成立的點稱為函數(shù)的駐點,從定理1可知,具有偏導數(shù)的函數(shù)的極值點必定是駐點。但是函數(shù)的駐點不一定是極值點,例如,點(0,0)是函數(shù)的駐點,但是函數(shù)在該點并無極值。

怎樣判定一個駐點是否是極值點呢?下面的定理回答了這個問題。

定理2(充分條件)設函數(shù)在點的某鄰域內(nèi)連續(xù)且有一階及二階連續(xù)偏導數(shù),又,令

則在處是否取得極值的條件如下:

(1)時具有極值,且當時有極大值,當時有極小值;

(2)時沒有極值;

(3)時可能有極值,也可能沒有極值,還需另作討論。

這個定理現(xiàn)在不證。利用定理1、2,我們把具有二階連續(xù)偏導數(shù)的函數(shù)的極值的求法敘述如下:

4. 拉格朗日乘數(shù)法無條件極值

判斷是極大值還是極小值點,一個初步的方法是依靠經(jīng)驗和對問題的認識。當不能作出有效判斷時,可以求取函數(shù)的二階導數(shù)進行判斷,其實一個簡單的方法是比較該極值點的函數(shù)值與相鄰點的函數(shù)來作出判斷。

至于存在不能化為無條件極值的問題,一般是先不管約束條件建立求解極值點的方程,然后再限制在約束條件下求出最后解答,具體的過程,建議參看變分原理等數(shù)學或力學書籍,如《計算動力學》中就有提到,不過這本書不是純粹的數(shù)學推演。

5. 有條件求極值拉格朗日

拉格朗日乘數(shù)法是多元微分學中用來求函數(shù)z=f(x,y)在滿足g(x,y)=0條件下的極值問題的方法:通過設F(x,y)=f(x,y)+λg(x,y),其中λ稱為拉格朗日乘數(shù),并求F(x,y)的極值點求得條件極值的方法

6. 拉格朗日乘數(shù)法求條件極值

構(gòu)造函數(shù)4a+b+m(a^2+b^2+c^2-3)

對函數(shù)求偏導并令其等于0

4+2ma=0

1+2mb=0

2mc=0

同時a^2+b^2+c^2=3

所以

m=根號17/2根號3

a=-4根號3/根號17

b=-根號3/根號17

4a+b=-根號51

1、是求極值的,不是求最值的

2、如果要求最值,要把極值點的函數(shù)值和不可導點的函數(shù)值還有端點函數(shù)值進行比較

3、書上說是可能的極值點,這個沒錯,比如f(x)=x^3,在x=0點導數(shù)確實為0,但是不是極值點,所以是可能的極值點,到底是不是要帶入原函數(shù)再看

7. 條件極值的拉格朗日乘數(shù)法

1、多元函數(shù)的條件極值與條件最值問題概述。

2、求條件極值的基礎(chǔ)題目。

3、例1的解答(求出全部可能的條件極值點)。

4、例1中極值點的判斷及評注(本題的“不等式”意義)。

5、考研試題中的條件最值問題。

6、例2的解答與評注。

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