Математика > Умовний екстремум. Метод множників Лагранжа. Метод найменших квадратів

Умовний екстремум. Метод множників Лагранжа. Метод найменших квадратів

План

Умовний екстремум

Необхідні умови

Метод множників Лагранжа

Знаходження функції на основі експериментальних даних за методом найменших квадратів

1. Умовний екстремум

У попередніх параграфах були розглянуті максимуми і мінімуми функції в припущенні, що ті змінні, від яких функція залежить, є незалежними. В цих випадках максимуми мінімуми називаються безумовними. Але у багатьох задачах потрібно знаходити екстремуми функції, аргументи якої задовольняють деяким додатковим умовам – зв’язку. В цих випадках аргументи функції не є незалежними. Екстремуми такого типу називаються умовними. Як приклад, наведемо задачу про знаходження екстремуму функції

за умови, що її аргументи задовольняють умові зв’язку

.

У даній задачі екстремуми функції знаходять не на всій площині, а лише на прямій .

Нехай потрібно знайти максимуми і мінімуми функції

(6.89)

при

(6.90)

За наявності умови (6.90) із двох змінних і незалежною буде лише одна, наприклад , оскільки визначається із рівності (6.90) як функція . Якщо із (6.90) знайти явну залежність від і підставити її в (6.89), то одержимо функцію однієї змінної , яку потрібно дослідити на екстремум. Але розв’язання рівняння (6.90) відносно однієї із змінних може бути важким або взагалі неможливим. Тому зупинимося на особливому методі розв’язання задачі на умовний екстремум – методі невизначених множників Лагранжа.

У точках екстремуму похідна має дорівнювати нулю. Враховуючи, що є функція від , знаходимо .

Отже, в точках екстремуму

. (6.91)

Із рівності (6.90) маємо

(6.92)

Домножимо рівність (6.92) на невизначений множник і додамо її з рівністю (6.91), одержимо

.

або

(6.93)

(6.93) перетворювалася на нуль: Рівність (6.93) виконується в усіх точках екстремуму. Доберемо множник так, щоб в точках екстремуму функції друга дужка у рівності

.

Тоді в точках екстремуму виконуються три рівняння:

(6.94)

з трьома невідомими . Із системи (6.94) визначаємо і , що відіграє лише допоміжну роль і в подальшому не потрібне.

Ліві частини рівнянь (6.94) є частинними похідними функції

,

яка називається функцією Лагранжа. Система (6.94) співпадає з умовами безумовного екстремуму функції .

Із виводу рівнянь (6.94) випливає, що вони є лише необхідними умовами умовного екстремуму.

Зауваження. Описаний метод поширюється на дослідження умовного екстремуму функції будь-якого числа змінних.

Нехай потрібно знайти максимуми і мінімуми функції змінних

за умови, що змінні зв’язані рівняннями:

(6.95)

Складемо функцію Лагранжа

і прирівняємо до нуля її частинні похідні по :

(6.96)

Із рівнянь (6.95) і (6.96) знаходимо координати критичних точок і допоміжних невідомих . Системи рівнянь (6.95) і (6.96) є необхідними умовами умовного екстремуму.

Приклад. За яких розмірів прямокутний паралелепіпед має найбільший об’єм, якщо його повна поверхня має площу ?

Р о з в ’ я з о к. Нехай довжина сторін паралелепіпеда дорівнюють і . Його об’єм , а площа поверхні . Потрібно знайти найбільше значення функції за умови .

Складаємо функцію Лагранжа

і прирівнюємо до нуля її частинні похідні:

, ,

, .

Звідси знаходимо . Точка є критичною точкою функції . Оскільки поставлена задача має певний розв’язок, а критична точка лише одна, то в цій критичній точці буде екстремум.

Шуканий паралелепіпед – куб із стороною .

2. Знаходження функції на основі експериментальних даних

за методом найменших квадратів

У різних областях людської діяльності широке розповсюдження мають формули, одержані на основі обробки спостережень або експериментів. Такі формули називаються емпіричними.

Нехай на основі експерименту потрібно встановити функціональну залежність величини від величини : .

В результаті одержано значень функції при відповідних значеннях аргументів і результати записані так:

Вид функції встановлюється або із теоретичних міркувань, або на основі аналізу графіка функції . Для цього слід побудувати в прямокутній декартовій системі координат точки, відповідні експериментальним значенням. Ці точки в дальшому будемо називати експериментальними. Якщо експериментальні точки розміщені на координатній площині так, як зображено на рис. 6.15, то доречно будувати залежність від у вигляді лінійної функції . Якщо експериментальні точки розміщені так, як показано на рис. 6.16, то функцію будемо шукати у вигляді .

При вибраному вигляді функції залишається добрати параметри так, щоб вони якнайкраще і описували

1	2

Назва: Умовний екстремум. Метод множників Лагранжа. Метод найменших квадратів
Дата публікації: 2005-03-03 (1066 прочитано)