Частные случаи правила множителей лагранжа. Условная оптимизация. Метод множителей Лагранжа. Смотреть что такое "Множители Лагранжа" в других словарях
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Челябинский юридический колледж
Кафедра математических и естественнонаучных дисциплин
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Математические методы»
Метод множителей Лагранжа
Студентка гр. ПО-3-05, отделение права и информационных технологий
Руководитель
Н.Р. Хабибуллина
Челябинск
Введение
1. Построение модели
2. Задача Лагранжа. Безусловный и условный экстремумы
3. Задача Лагранжа с одним ограничением
4. Смысл множителей Лагранжа
4.1. Теорема Лагранжа
4. 2. Метод множителей Лагранжа
4.3. Метод неопределенных множителей Лагранжа
4.4. Двумерный случай
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Метод Лагранжа базируется на нескольких ключевых идеях. Одна из них состоит в том, как искать минимум функции, если на функцию заданы некоторые ограничения. Этот приём теперь носит название «правило множителей Лагранжа»
Данная тема актуальна в современности потому, что метод множителей Лагранжа применяется при решении задач нелинейного программирования, возникающих во многих областях (например, в экономике).
Важное место в математиком аппарате экономики занимают оптимальные задачи - задачи, которых ищется наилучшее в определенном смысле решение. В экономической практике требуется использовать имеющиеся ресурс наиболее выгодным образом. В экономической теории одним из отправных пунктов является постулат о том, что каждый экономический субъект, имея определенную свободу выбора своего поведения, отыскивает наилучший со своей точки зрения вариант. И оптимизационные задачи служат средством описания поведения экономических субъектов, инструментом исследования закономерностей этого поведения.
1. Построение модели
Для постановки задачи необходима анализ системы, исследование её особенностей и возможных методов управления системой. Схема, построения в результате такого анализа, является либо изобразительной, либо аналоговой моделью. Таким образом, первый этап построения модели выполняется в процессе постановки задачи. После такого анализа системы уточняется перечень различных вариантов в решения, которые надо оценить. Затем определяются меры общей эффективности этих вариантов. Следовательно, следующий этап заключается в построении такой модели, в которой эффективность системы можно выразить в функции переменных, определяющих систему. Некоторые из этих переменных в реальной системе можно менять, другие переменные менять нельзя. Те переменные, которые можно изменить, назовем “управляемыми”. Различные варианты решения задачи необходимо выразить с помощью управляемых переменных.
Построение математической (символической) модели системы можно начать с перечисления всех элементов системы, которые влияют на эффективность работы системы. Если в качестве меры общей эффективности используется “общие ожидаемые издержки”, то можно начать с исследования изобразительной или аналоговой модели, полученной на стадии постановки задачи. Можно выделить операции и материалы, которым сопоставляется некоторые затраты. При этом получим, например, следующий исходный список:
Производственные затраты:
а) закупочная цена сырья;
б) издержки перевозки сырья;
в) стоимость приемки сырья;
г) стоимость хранения сырья;
д) стоимость планирования производства;
е) стоимость наладочных работ в цехе;
ж) стоимость процесса обработки;
з) стоимость хранения запасов в процессе производства;
и) стоимость завершения производства и передачи готовых изделий на склад;
к) стоимость анализа результатов работы группой планирования;
л) стоимость хранения готовых изделий.
Затраты на сбыт.
Накладные расходы.
2. Задача Лагранжа . Безусловный и условный экстремумы
Многие задачи оптимизации формулируются следующим образом. Решение, которое должен принять субъект, описывается набором чисел х 1 ,х 2 ,…,х n (или точкой Х=(х 1 ,х 2 ,…,х n) n-мерного пространства). Достоинства того или иного решения определяются значениями функция f(X) = f(х 1 , х 2 ,…,х n) -- целевой функции . Наилучшее решение -- это такая точка Х, в которой функция f(Х) принимает наибольшее значение. Задача нахождения такой точки описывается следующим образом:
f(X) max.
Если функция f(X) характеризует отрицательные стороны решения (ущерб, убытки и т. п.), то ищется точка Х, в которой значение f(X) минимально:
f(X) min.
Минимум и максимум объединяются понятием экстремума. Для определенности мы будем говорить только о задачах максимизации. Поиск минимума не требует специального рассмотрения, поскольку заменой целевой функции f(X) на -f(Х) всегда можно “превратить недостатки в достоинства” и свести минимизацию к максимизации.
Из каких вариантов должен быть выбран наилучший? Иными словами, среди каких точек пространства нужно искать оптимум. Ответ на этот вопрос связан с таким элементом оптимизационной задачи, как множество допустимых решений . В некоторых задачах допустимыми являются любые комбинации чисел х 1 , х 2 ,…,х n то есть множество допустимых решений - это все рассматриваемое пространство.
В других задачах следует принимать во внимание различные ограничения, означающие, что не все точки пространства доступны при выборе. В содержательных постановках задач это может быть связано, например, с ограниченностью располагаемого количества ресурсов.
Ограничения могут быть представлены в форме равенств вида
или неравенства
Если условия имеют несколько другую форму, скажем, g 1 (Х) = g 2 (X) или g(X) A, то их можно привести к стандартному виду, перенеся в функции и константы в одну из частей равенства или неравенства.
Экстремум, отыскиваемый во всем пространстве, без каких-либо ограничивающих условий, носит название безусловного. Если целевая функция непрерывно дифференцируема, то, необходимое условие безусловного экстремума функции состоит в равенстве нулю всех ее частных производных:
Если же заданы ограничения, то экстремум ищется лишь среди точек, которые удовлетворяют всем ограничениям задачи, так как только такие точки являются допустимыми. В этом случае экстремум носит название условного.
Рассмотрим задачу поиска условного экстремума:
при условиях (2)
g 1 (Х) = 0; g 2 (Х) = 0, …, g n (Х) = 0,
все ограничения которой представляют собой равенства.
Если при этом целевая функция и все ограничивающие функции непрерывно дифференцируемы, то такую задачу мы будем называть задачей Лагранжа.
3. Задача Лагранжа с одним ограничением
Рассмотрим задачу, имеющую следующую структуру:
f(X) max
при условии (3)
g(X) = 0.
Рассмотрим пример. По склону горы идет дорога, требуется найти на ней самую высокую точку. На рис. 1 представлена карта местности с нанесенными на нее линиями
равных высот; толстая линия - это дорога. Точка М, в которой дорога касается одной линий уровня, - это и есть наивысшая точка дороги.
Если Х = (х 1 , х 2) - точка плотности, х 1 и х 2 - её координаты, то задаче можно придать следующую форму. Пусть f(Х) -- высота точки Х над уровнем моря, а уравнение g(X) = 0 описывает дорогу. Тогда наивысшая точка дороги - решение задачи (3).
Если бы дорога проходила через вершину горы, то ее высшая точка была бы самой высокой точкой местности, и ограничение можно было бы не принимать во внимание.
Если же дорога не проходит через вершину, то, немного отклонившись от дороги, можно было бы подняться выше, чем двигаясь строго по дороге. Отклонение от дороги соответствует попаданию в такие точки, где g(X) 0; при малых отклонениях достижимую при этом высоту можно приближенно считать пропорциональной отклонению.
Идею решения задачи Лагранжа можно представить следующим образом: можно попытаться “исправить” рельеф местности так, чтобы отклонение от дороги не давало преимуществ в достижении высоты. Для этого нужно заменить высоту f(Х) функцией.
L(X) = f(X) - g(Х),
где множитель подбирается таким образом, чтобы участок склона в окрестности точки М стал горизонтальным (слишком малое не устранит преимуществ отклонений от дороги, а слишком большое - придаст преимущество отклонениям в противоположную сторону).
Теперь, поскольку рельеф L(X) делает площадку в окрестности точки оптимума горизонтальной, эта точка удовлетворяет равенствам
а так как точка лежит на дороге, то - и ограничению g(X) = 0.
Пример с горой и дорогой -- лишь иллюстрация идеи; точно так же двумерный случай использован исключительно для наглядности. Подобным образом можно было бы рассуждать и в общем, n-мерном случае.
Справедливо следующее утверждение:
Если f(х 1 ,…,х n) и g(х 1 ,…,х n) - непрерывно дифференцируемые функции всех своих аргументов, то решение задачи
f(х 1 ,…,х n) max
при условии
g(х 1 ,…,х n) = 0
удовлетворяет равенствам
L(х 1 ,…,х n ;) = f(х 1 ,…,х n) -- g(х 1 ,…,х n).
Функция L(X;) получила название функции Лагранжа (или лагранжиана ) задачи (3), а коэффициент -- множителя Лагранжа .
Заметим, что равенство (5) -- это представленное в другой форме ограничение g(Х) = 0.
Приведенные выше рассуждения, разумеется, не являются доказательством сформулированного здесь утверждения; они лишь помогают понять существо метода: составляющая g(Х) в составе функции Лагранжа должна уравновешивать возможное увеличение максимального значения функции g(Х) от нуля. Это обстоятельство в дальнейшем будет весьма полезно при обсуждении смысла множителя Лагранжа.
Рассмотрим чрезвычайно простой пример. Веревкой длины А требуется огородить на берегу моря прямоугольный участок наибольшей площади (берег считается прямолинейным).
Рис.3 К задаче Дидона
Обозначим стороны прямоугольника х 1 и х 2 (см. рис. 3). Решим сначала задачу без использования метода Лагранжа.
Очевидно, х 2 = А - 2 х 1 и площадь прямоугольника равна S = х 1 х 2 = x 1 (А - 2х 1). Рассматривая ее как функцию одного аргумента х1, нетрудно найти его значение, при котором площадь максимальна: х 1 = А/4. Отсюда х 2 = А/2. Максимальная площадь равна S* = А 2 /8.
Теперь рассмотрим эту же задачу в форме задачи Лагранжа:
при условии
2 х 1 + х 2 - А = 0
Лагранжиан этой задачи равен
L(х 1 ,х 2 ;) = х 1 х 2 - (2х 1 + х 2 - А),
и условия экстремума имеют вид
2 х 1 + х 2 = А
Подставляя значения х 1 и х 2 из первого и второго равенств в третье, находим, что 4 = А, откуда
А/4; х 1 = А/4; х 2 =А/2,
как и при решении первым способом.
Этот пример показывает распространенный способ решения задачи Лагранжа. Соотношения (4) и (5) образуют систему уравнений относительно х 1 ,…,х n и,. Система состоит из n + 1 уравнения - n уравнений вида (4) и одно уравнение вида (5). Число уравнений равно числу неизвестных. Из уравнений вида (4) можно попытаться выразить каждую из неизвестных х 1 ,…,х 2 через, то есть решить ее как систему из n уравнений, рассматривая как параметр. Подставляя получившиеся выражения в уравнение (5) - нам известно, что оно совпадает с ограничением, - получаем уравнение относительно. Решая его, находят, после чего определяются исходные неизвестные х 1 ,…,х n .
4. Смысл множителей Лагранжа
При решении задачи Лагранжа мы интересовались значениями х 1 ,…,х n ; кроме того, нас могло интересовать экстремальное значение целевой функции f(X). Но в процессе решения попутно было определено значение еще одной величины - множителя Лагранжа.
Оказывается, множитель Лагранжа -- весьма существенная характеристика решаемой задачи. Чтобы смысл ее стал яснее, несколько изменим формулировку ограничения, ничего не изменяя по существу.
Типичная экономическая ситуация характеризуется тем, что приходится искать наиболее выгодное решение при ограниченном количестве некоторого ресурса. Если r - заданное количество ресурса, а функция h(X) характеризует потребное его количество для достижения точки Х, то ограничению естественно придать форму
По характеру задачи часто бывает ясно, что для достижения оптимума ресурс нужно использовать полностью, так что ограничение может быть записано в виде равенства
Это условие можно представить в форме g(X) = h(Х) - r = 0. Но значительный интерес представляет максимально достижимый уровень функции f(x) в зависимости от имеющегося количества ресурса r. Обозначим
F(r) = max f(X) h(X) = r.
В правой части - принятое обозначение условного экстремума: после вертикальной черты выписывается условие.
Вспомним, что при обсуждении структуры лагранжиана мы интерпретировали g(Х) как составляющую, уравновешивающую возможный прирост максимума f(X) при отклонении g(X) от нуля. Но отклонение g(X) от нуля есть отклонение h(Х) от r. Если располагаемое количество ресурса получает приращение r, то мы должны ожидать приращение максимума функции f(X) на r.
В действительности это соотношение носит приближенный характер. Точный результат мы получили бы в пределе при r 0:
Таким образом, множитель Лагранжа характеризует скорость изменения максимума целевой функции при изменении ограничивающей константы r в ограничении вида (6).
В рассмотренном в предыдущем пункте варианте задачи Дидоны ограниченным ресурсом была длина веревки А. Максимальная площадь оказалось равной S(A) = A 2 /8. Отсюда dS(А)/dА = А/4, что в точности соответствует найденному при решении значению.
Приведем еще одно рассуждение. Для всевозможных точек Х найдем значения f(X) и h(Х) и отложим эти значения в виде точек в декартовых координатах (рис. 4). Если при каждом значении h(Х) существует максимум функции f(Х), то все точки расположатся ниже некоторой кривой, показанной на рисунке жирной линией.
Нас интересуют точки, соответствующие условию h(X) = r. Максимум f(X) помечен точкой М*; обозначим наклон кривой в этой точке. Если в качестве ординаты брать не f(X), а L(X;) =f(X) - , то новая верхняя граница имела бы в точке М* горизонтальную касательную. Это значит, что в исходном n-мерном пространстве соответствующая точка М -- стационарная точка функции L (X;) с данным значением параметра. Таким образом, - множитель Лагранжа.
Но жирная черная кривая -- это график функции F(r), а - его угловой коэффициент, откуда и следует равенство (7).
4.1 Теорема Лагранжа
Предположим, на плоскости задана функция?(х) и дана кривая g(x) = 0. Если функция?, ограниченная на данную кривую, достигает своего минимума или максимума в точке, то векторы?"() и g"() коллинеарны (при условии, что обе функции имеют производные в точке).
В общей теореме Лагранжа функция? зависит не от двух, а от n переменных, и есть несколько функций g(x), задающих ограничения (х)=0, i=l,..., m. Мы оставим эту теорему без доказательства, это завело бы нас слишком далеко в сторону математического анализа. Посмотрим, как превосходно она работает при нахождении максимумов и минимумов.
Теорема (Закон Снеллиуса о преломлении света). Две среды разделены прямой линией, в первой скорость распространения света равна, а во второй -- . Если луч света выходит из первой среды под углом к нормали и входит во вторую под углом, то
Доказательство. Прямая на плоскости задаётся уравнением
где -- произвольная точка прямой,
a n -- вектор, перпендикулярный прямой. Выберем произвольную точкуна входящем пучке света и точкуна преломлённом (рис. 30). Свет всегда распространяется по пути, занимающему наименьшее время. Значит, нужно найти на границе сред точку х, для которой величина?(х) = принимает наименьшее значение. Получаем задачу:
?(х)=-min при условии g(x) = n·(x--) = 0.
Согласно принципу Лагранжа, в точке минимума векторы?"(х) и g"(x) коллинеарны. Производная?{x) равна сумме вектора, который имеет длину 1/ и сонаправлен с вектором х--, и вектора длины 1/, сонаправленного с вектором х--. А производная g"(x) равна вектору п. Условие коллинеарности означает, что сумма + перпендикулярна прямой, то есть проекции векторов и на прямую равны. Таким образом, что и требовалось.
Ну а теперь мы готовы представить обещанные решения задач о минимуме суммы расстояний до точки прямой и до точки плоскости.
66. Задача о минимальной сумме расстояний от k точек плоскости до точки на прямой. На плоскости дана прямая и k точек. Найти (или охарактеризовать) положение точки на прямой, для которой сумма расстояний до данных точек минимальна.
Решение. Пусть l -- данная прямая, а -- данные точки. Решаем задачу на минимум:
?(х) = |х--|+...+|х--|^min при условии g(x) = n·(x--) = 0,
где-- произвольная точка прямой l, a n -- вектор, перпендикулярный этой прямой. Обозначим черезвектор единичной длины, сонаправленный с вектором х--. Тогда?"(х)=+...+, a g"(x)=n. По теореме Лагранжа, в точке минимума вектор?(x) коллинеарен n, т. е. перпендикулярен прямой l. Таким образом: Решением задачи служит точка прямой l, для которой сумма проекций на прямую k единичных векторов, направленных из неё в данные точки, равна нулю.
Если из данных k точек есть хотя бы одна, не лежащая на прямой l, то задача имеет единственное решение. Доказать это совсем просто, если использовать приём из задачи 62. Если k?3, то такая точка, вообще говоря, не строится с помощью циркуля и линейки (вычисление её координаты приводит к уравнению высокой степени). Поэтому в общем случае у нас нет ничего лучшего, чем то описание точки минимума, которое мы привели.
Задача о минимальной сумме расстояний от k точек пространства до точки на данной плоскости. В пространстве дана плоскость и k точек. Найти (или охарактеризовать) положение точки на плоскости, для которой сумма расстояний до данных точек минимальна.
Решение этой задачи ничем не отличается от предыдущей и приводит к похожему ответу:
Минимум достигается в точке х плоскости, для которой сумма проекций на плоскость k единичных векторов, направленных из х в данные точки, равна нулю.
4.2 Метод множителей Лагранжа
Метод нахождения условного экстремума функции f (x ), где, относительно m ограничений ц i (x ) = 0, i меняется от единицы до m .
Пусть задана задача НП при ограничениях-равенствах вида
Минимизировать (4.2.1)
при ограничениях
Предположим, что все функции - дифференцируемы. Введем набор переменных (число которых равняется числу ограничений), которые называются множителями Лагранжа , и составим функцию Лагранжа такого вида:
Справедливо такое утверждение для того чтобы вектор являлся решением задачи (4.2.1) при ограничениях (5.2.2), необходимо, чтобы существовал такой вектор, что пара векторов удовлетворяла бы системе уравнений
Покажем необходимость условий (4.2.4), (4.2.5) на простом примере:
минимизировать (4.2.6)
при ограничениях
Ограничения (5.2.7) определяют допустимую область, которая представляет собой кривую в пространстве и является результатом пересечения и.
Допустим, что рассматриваемая задача имеет точку минимума в: , функции имеют непрерывные производные первого порядка на некотором открытом множестве и градиенты
линейно независимы.
Если две переменные в уравнениях (4.2.7) можно выразить через третью в виде, то подставив их в целевую функцию (5.2.6), преобразуем исходную задачу в следующую задачу без ограничений, которая содержит лишь одну переменную:
минимизировать. (4.2.8)
Поскольку градиенты, непрерывны и линейно независимы, то можно применить известную теорему математического анализа о неявной функции и найти стационарную точку, а потом.
Приведенный подход можно в принципе распространить и на случай функции переменных при наличии ограничений-равенств:
Если функции удовлетворяют условиям теоремы о неявной функции, то из переменных уравнений (4.2.9) можно выразить через остальные переменных, подставить их в и таким образом преобразовать задачу минимизации с ограничениями в задачу безусловной минимизации с переменными. Однако такой подход трудно реализовать на практике, поскольку очень трудно разрешить уравнения (4.2.9) относительно некоторых переменных. В общем случае это совсем невозможно.
Поэтому рассмотрим другой подход, который базируется на методе множителей Лагранжа.
Пусть - точка минимума, определяемого выражением (4.2.8). В соответствии с известной теоремой математического анализа о неявной функции можно записать
Аналогичные соотношения получим для ограничений
Запишем уравнения (4.2.10), (4.2.11) совместно в виде
Поскольку вектор не является нулевым, то из (4.2.12) следует, что. Из этого следует, что вектора-строки
матрицы A должны быть линейно зависимы. Следовательно, существуют три таких скаляра не все равные 0, что
Скаляр а не может равняться 0, так как в соответствии с предположением и -линейно независимы. Поэтому после деления (5.2.13) на, получим
Таким образом, для задачи минимизации с ограничениями (4.2.6) существуют такие, для которых справедливо уравнение (4.2.14) и которые одновременно не обращаются в нуль. Итак, справедливость условий (4.2.4) для случая n=3 показана.
Таким образом, для отыскания минимума (4.2.6) при условиях (4.2.7) необходимо найти стационарную точку функции Лагранжа:
Для того чтобы найти искомые значения, необходимо решить совместно систему уравнений (4.2.14), (4.2.5). С геометрической точки зрения условие (4.2.14) означает, что лежит в плоскости, натянутой на векторы
Теперь рассмотрим общий случай для произвольных. Пусть задана задача НП в виде (4.2.1), (4.2.2), все функции имеют непрерывные частные производные на множестве. Пусть -подмножество множества, на котором все функции, то есть. Тогда справедлива такая теорема о множителях Лагранжа.
Теорема. Допустим, чт о существует такая точка , в которой достигается относительный экстремум задачи НП (5.2.1) при условиях (4.2.2). Если ранг матрицы в точке равен , то существуют чисел , не все из которых равны нулю одновременно, при которых
Эта теорема обосновывает метод множителей Лагранжа, который состоит из следующих шагов.
Составляют функцию Лагранжа
Находят частные производные
Решают систему уравнений
и отыскивают точки, удовлетворяющие системе (4.2.16).
4.3 Метод неопределенных множителей Лагранжа
Применяется для решения задач с аналитическим выражением для критерия оптимальности и при наличии ограничений на независимые переменные типа равенств. Для получения аналитического решения требуется, чтобы ограничения имели аналитический вид. Применение неопределенных множителей Лагранжа позволяет свести задачу оптимизации с ограничениями к задаче, решаемой методами исследования функций классического анализа. В этом случае порядок системы уравнений, решаемой для нахождения экстремума критерия оптимизации, повышается на число ограничений. Применение метода эффективно при количестве переменных три и менее. Метод используется и при количестве переменных более трех, если процесс описывается конечными уравнениями.
Пусть требуется найти экстремум функции, которая зависит от n переменных, связанных в свою очередь отношениями. Достигаемый функцией экстремум с учетом выполнения условий называется относительным, или условным. Если же число переменных равно числу соотношений (), то искомые неизвестные находятся решением системы уравнений, описываемых соотношениями. Решение задачи оптимизации сводится к проверке найденным таким способом значений переменных на функции. Таким образом, экстремальную задачу можно решить простым перебором переменных, удовлетворяющих условиям.
Если m < n , то можно из уравнений связи найти зависимость m переменных от n - m остальных переменных, т.е.
Функцию можно получить подстановкой полученных переменных в функцию. Тогда будет зависеть только от переменных, не связанных дополнительными условиями. Следовательно, снимая ограничения удается и уменьшить размерность исходной задачи оптимизации. Часто аналитически таким способом задачу решить не удается. Поэтому для решения задач отыскания экстремума функции многих переменных обычно используется метод неопределенных множителей Лагранжа.
При введении новых переменных, носящих название неопределенных множителей Лагранжа появляется возможность ввести новую функцию
т.е. функцию m + n переменных, в которую ограничения, накладываемые системой функций входят как составная часть.
Экстремальное значение функции совпадает с экстремальным значением функции, если выполняется условие по ограничениям. Необходимым условием экстремума функции многих переменных является равенство нулю дифференциала этой функции в экстремальной точке, т.е.
Для того, чтобы это выражение выполнялось при любых значениях независимых дифференциалов, необходимо равенство нулю коэффициентов при этих дифференциалах, что дает систему уравнений
При этом новых независимых определяются из условия
Объединение систем (4.3.1) и (4.3.2) можно получить
Таким образом, задача в форме (4.3.3) сводится к задаче: найти
Отдельно следует отметить, что в общем случае метод множителей Лагранжа позволяет найти лишь необходимые условия существования условного экстремума для непрерывных функций, имеющих непрерывные производные. Однако из физического смысла решаемой задачи обычно известно, идет ли речь о максимуме или минимуме функции, кроме того, как правило, в проектных задачах функция на рассматриваемом отрезке является унимодальной. Поэтому в проектных задачах нет необходимости значения переменных, найденные при решении рассмотренных систем уравнений, проверять на экстремум с помощью анализа производных более высокого порядка.
4.4 Двумерный случай
Пусть требуется найти экстремум некоторой функции двух переменных f (x ,y ) при условии, задаваемом уравнением ш(x ,y ) = 0. Мы будем считать, что все функции непрерывно дифференцируемы, и данное уравнение задает гладкую кривую S на плоскости (x ,y ). Тогда задача сводится к нахождению экстремума функции f на кривой S . Будем также считать, что S не проходит через точки, в которых градиент f обращается в 0.
Линии уровня f(x,y) и кривая S
Нарисуем на плоскости (x ,y ) линии уровня функции f (то есть кривые f (x ,y ) = const). Из геометрических соображений видно, что экстремумом функции f на кривой S могут быть только точки, в которых касательные к S и соответствующей линии уровня совпадают. Действительно, если кривая S пересекает линию уровня f в точке (x 0 ,y 0) трансверсально (то есть под некоторым ненулевым углом), то двигаясь по кривой S из точки (x 0 ,y 0) мы можем попасть как на линии уровня, соответствующие большему значению f , так и меньшему. Следовательно, такая точка не может быть точкой экстремума.
Тем самым, необходимым условием экстремума в нашем случае будет совпадение касательных. Чтобы записать его в аналитической форме, заметим, что оно эквивалентно параллельности градиентов функций f и ш в данной точке, поскольку вектор градиента перпендикулярен касательной к линии уровня. Это условие выражается в следующей форме:
где л -- некоторое число, отличное от нуля, и являющееся множителем Лагранжа.
Рассмотрим теперь функцию Лагранжа , зависящую от x ,y и л:
L (x ,y ,л) = f (x ,y ) ? лш(x ,y )
Необходимым условием ее экстремума является равенство нулю градиента. В соответствии с правилами дифференцирования, оно записывается в виде
Мы получили систему, первые два уравнения которой эквивалентны необходимому условию локального экстремума (1), а третье -- уравнению ш(x ,y ) = 0. Из нее можно найти (x 0 ,y 0 ,л 0). При этом, поскольку в противном случае градиент функции f обращается в нуль в точке, что противоречит нашим предположениям. Следует заметить, что найденные таким образом точки (x 0 ,y 0) могут и не являться искомыми точками условного экстремума -- рассмотренное условие носит необходимый, но не достаточный характер. Нахождение условного экстремума с помощью вспомогательной функции L и составляет основу метода множителей Лагранжа, примененного здесь для простейшего случая двух переменных. Оказывается, вышеприведенные рассуждения обобщаются на случай произвольного числа переменных и уравнений, задающих условия
Заключение
Использование математических моделей в настоящее время стало очень актуальным вопросом, в связи с постоянно развивающейся экономики.
Построение математической (символической) модели системы можно начать с перечисления всех элементов системы, которые влияют на эффективность работы системы. Если в качестве меры общей эффективности используется “общие ожидаемые издержки”, то можно начать с исследования изобразительной или аналоговой модели, полученной на стадии постановки задачи.
Метод множителей Лагранжа позволяет отыскивать максимум или минимум функции при ограничениях-равенствах. Основная идея метода состоит в переходе от задачи на условный экстремум к задаче отыскания безусловного экстремума некоторой построенной функции Лагранжа.
Таким образом - метод множителей Лагранжа играет важную роль в развитии, предсказании, построении оптимального варианта, человеческой сферы деятельности
. Список использованной литературы
1. В.И. Варфоломеев “Моделирование элементов экономических систем”. Москва 2000г.
2. Бусленко Н.П. “Моделирование сложных систем” Москва, 1999г.
3. У. Черчмен, Р. Акоф, Л. Артоф. “Введение в исследование операций”. Наука: Москва, 1968г.
4. А. Будылин “Элементарные задачи”. Москва, 2002г.
5. Ванько В.И., Ермошина О.В., Кувыркин Г.Н. Вариацинное “Исчисление и оптимальное управление”. Москва, 1999г.
6. Ашманов С.А., Тимохов А.В. “Теория оптимизации в задачах и упражнениях”. Москва, 1991г.
7. “Лабораторный практикум по методам оптимизации”. А.Г.Коваленко, И.А.Власова, А.Ф.Федечев.- Самара, 1998г.
Подобные документы
Метод решения задачи, при котором коэффициенты a[i], определяются непосредственным решением системы - метод неопределенных коэффициентов. Интерполяционная формула Ньютона и ее варианты. Построение интерполяционного многочлена Лагранжа по заданной функции.
лабораторная работа , добавлен 16.11.2015
Применение функции Лагранжа в выпуклом и линейном программировании. Простейшая задача Больца и классического вариационного исчисления. Использование уравнения Эйлера-Лагранжа для решения изопериметрической задачи. Краевые условия для нахождения констант.
курсовая работа , добавлен 16.01.2013
Нахождение экстремума функции нескольких переменных не на всей области определения, а на множестве, удовлетворяющему некоторому условию. Практический пример нахождения точки максимума и минимума функции. Главные особенности метода множителей Лагранжа.
презентация , добавлен 17.09.2013
Методы условной и безусловной нелинейной оптимизации. Исследование функции на безусловный экстремум. Численные методы минимизации функции. Минимизация со смешанными ограничениями. Седловые точки функции Лагранжа. Использование пакетов MS Excel и Matlab.
лабораторная работа , добавлен 06.07.2009
Преимущества уравнений Лагранжа и их применение. Классификация связей внутри механической системы. Возможные перемещения механической системы и число степеней свободы. Применение уравнений Лагранжа второго рода к исследованию механической системы.
курсовая работа , добавлен 21.08.2009
Применение теоремы Лагранжа при решении задач. Ее использование при решении неравенств и уравнений, при нахождении числа корней некоторого уравнения. Решение задач с использованием условия монотонности. Связи между возрастанием или убыванием функции.
реферат , добавлен 14.03.2013
Доказательство существования и единственности интерполяционного многочлена Лагранжа. Понятие лагранжевых коэффициентов. Способы задания наклонов интерполяционного кубического сплайна, его использование для аппроксимации функций на больших промежутках.
презентация , добавлен 29.10.2013
Нахождение экстремумов функций методом множителей Лагранжа. Выражение расширенной целевой функции. Схема алгоритма численного решения задачи методом штрафных функций в сочетании с методом безусловной минимизации. Построение линий ограничений.
курсовая работа , добавлен 04.05.2011
Формирование функции Лагранжа, условия Куна и Таккера. Численные методы оптимизации и блок-схемы. Применение методов штрафных функций, внешней точки, покоординатного спуска, сопряженных градиентов для сведения задач условной оптимизации к безусловной.
курсовая работа , добавлен 27.11.2012
Построение графика непрерывной функции. Определение множителя Лагранжа. Критические точки - значения аргумента из области определения функции, при которых производная функции обращается в нуль. Наибольшее и наименьшее значения функции на отрезке.
Пусть и - дважды непрерывно дифференцируемые скалярные функции векторного аргумента . Требуется найти экстремум функции при условии, что аргумент удовлетворяет системе ограничений:
(последнее условие называют также условием связи).
Наиболее простым методом нахождения условного экстремума является сведение задачи к нахождению безусловного экстремума путем разрешения уравнения связи относительно m переменных и последующей их подстановки в целевую функцию.
Пример 3. Найти экстремум функции при условии .
Решение . Из уравнения связи выразим х 2 через х 1 и подставим полученное выражение в функцию у :
Эта функция имеет единственный экстремум (минимум) при х 1 =2. Соответственно, х 2 =1. Таким образом, точкой условного экстремума (минимума) заданной функции является точка .
В рассмотренном примере уравнение связи легко разрешимо относительно одной из переменных. Однако в более сложных случаях выразить переменные удается не всегда. Соответственно, описанный выше подход применим не ко всем задачам.
Более универсальным методом решения задач отыскания условного экстремума является метод множителей Лагранжа . Он основан на применении следующей теоремы. Если точка является точкой экстремума функции в области, определяемой уравнениями , то (при некоторых дополнительных условиях) существует такой m -мерный вектор , что точка является стационарной точкой функции
Алгоритм метода множителей Лагранжа
Шаг 1 . Составить функцию Лагранжа:
где - множитель Лагранжа, соответствующий i -му ограничению.
Шаг 2 . Найти частные производные функции Лагранжа и приравнять их к нулю
Шаг 3. Решив получившуюся систему из n +m уравнений, найти стационарные точки.
Заметим, что в стационарных точках выполняется необходимое, но не достаточное условие экстремума функции. Анализ стационарной точки на наличие в ней экстремума в данном случае достаточно сложен. Поэтому метод множителей Лагранжа в основном используют в тех случаях, когда о существовании минимума или максимума исследуемой функции заранее известно из геометрических или содержательных соображений.
При решении некоторых экономических задач множители Лагранжа имеют определенное смысловое содержание. Так, если - прибыль предприятия при плане производства n товаров , - издержки i -го ресурса, то l i - оценка этого ресурса, характеризующая скорость изменения оптимума целевой функции в зависимости от изменения i -го ресурса.
Пример 4. Найти экстремумы функции при условии .
Решение . Функции и непрерывны и имеют непрерывные частные производные. Составим функцию Лагранжа:
Найдем частные производные и приравняем их к нулю.
Получаем две стационарные точки:
Принимая во внимание характер целевой функции, линиями уровня которой являются плоскости, и функции (эллипс) заключаем, что в точке , функция принимает минимальное значение, а в точке максимальное.
Пример 5. В области решений системы
найти максимальное и минимальное значение функции при условии .
Решение . Пересечением области допустимых решений и прямой является отрезок MN : М (0,6), N (6,0). Поэтому экстремальные значения функция может принимать либо в стационарных точках, либо в точках M и N . Для нахождения стационарной точки применим метод Лагранжа. Составим функцию Лагранжа
Найдем частные производные функции Лагранжа и приравняем их к нулю
Решая систему, получаем стационарную точку K (2,2;3,8). Сравним значения целевой функции в точках K , M , N :
Следовательно,
Пример 6. Известен рыночный спрос на определенное изделие в количестве 180 штук. Это изделие может быть изготовлено двумя предприятиями одного концерна по различным технологиям. При производстве х 1 изделий первым предприятием его затраты составят руб., а при изготовлении х 2 изделий вторым предприятием они составляют руб.
Определить, сколько изделий, изготовленных по каждой технологии, может предложить концерн, чтобы общие издержки его производства были минимальны.
Решение . Математическая модель задачи:
Для нахождения минимального значения целевой функции при условии х 1 + х 2 =180, т.е. без учета требования неотрицательности переменных, составим функцию Лагранжа:
Найдем первые производные функции Лагранжа по х 1 , х 2 , l , и приравняем их к 0. Получим систему уравнений:
Решая эту систему, найдем следующие корни: , т.е. получаем координаты точки, подозрительной на экстремум.
Чтобы определить, является ли точка ( ) локальным минимумом, исследуем определитель Гессе, для чего вычислим вторые частные производные целевой функции:
Так как
то определитель Гессе положительно определен; следовательно, целевая функция является выпуклой и в точке ( ) имеем локальный минимум:
Описание метода
где .
Обоснование
Нижеприведенное обоснование метода множителей Лагранжа не является его строгим доказательством. Оно содержит эвристические рассуждения, помогающие понять геометрический смысл метода.
Двумерный случай
Линии уровня и кривая .
Пусть требуется найти экстремум некоторой функции двух переменных при условии, задаваемом уравнением 
. Мы будем считать, что все функции непрерывно дифференцируемы, и данное уравнение задает гладкую кривую S
на плоскости . Тогда задача сводится к нахождению экстремума функции f
на кривой S
. Будем также считать, что S
не проходит через точки, в которых градиент f
обращается в 0
.
Нарисуем на плоскости линии уровня функции f (то есть кривые ). Из геометрических соображений видно, что экстремумом функции f на кривой S могут быть только точки, в которых касательные к S и соответствующей линии уровня совпадают. Действительно, если кривая S пересекает линию уровня f в точке трансверсально (то есть под некоторым ненулевым углом), то двигаясь по кривой S из точки мы можем попасть как на линии уровня, соответствующие большему значению f , так и меньшему. Следовательно, такая точка не может быть точкой экстремума.
Тем самым, необходимым условием экстремума в нашем случае будет совпадение касательных. Чтобы записать его в аналитической форме, заметим, что оно эквивалентно параллельности градиентов функций f и ψ в данной точке, поскольку вектор градиента перпендикулярен касательной к линии уровня. Это условие выражается в следующей форме:
где λ - некоторое число, отличное от нуля, и являющееся множителем Лагранжа.
Рассмотрим теперь функцию Лагранжа , зависящую от и λ :
Необходимым условием ее экстремума является равенство нулю градиента . В соответствии с правилами дифференцирования, оно записывается в виде
Мы получили систему, первые два уравнения которой эквивалентны необходимому условию локального экстремума (1), а третье - уравнению . Из нее можно найти . При этом , поскольку в противном случае градиент функции f
обращается в нуль в точке 
, что противоречит нашим предположениям. Следует заметить, что найденные таким образом точки могут и не являться искомыми точками условного экстремума - рассмотренное условие носит необходимый, но не достаточный характер. Нахождение условного экстремума с помощью вспомогательной функции L
и составляет основу метода множителей Лагранжа, примененного здесь для простейшего случая двух переменных. Оказывается, вышеприведенные рассуждения обобщаются на случай произвольного числа переменных и уравнений, задающих условия.
На основе метода множителей Лагранжа можно доказать и некоторые достаточные условия для условного экстремума, требующие анализа вторых производных функции Лагранжа.
Применение
- Метод множителей Лагранжа применяется при решении задач нелинейного программирования, возникающих во многих областях (например, в экономике).
- Основной метод решения задачи об оптимизации качества кодирования аудио и видео данных при заданном среднем битрейте (оптимизация искажений - англ. Rate-Distortion optimization ).
См. также
Ссылки
- Зорич В. А. Математический анализ. Часть 1. - изд. 2-е, испр. и доп. - М.: ФАЗИС, 1997.
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Множители Лагранжа" в других словарях:
Множители Лагранжа - дополнительные множители, преобразующие целевую функцию экстремальной задачи выпуклого программирования (в частности, линейного программирования) при ее решении одним из классических методов методом разрешающих множителей… … Экономико-математический словарь
множители Лагранжа - Дополнительные множители, преобразующие целевую функцию экстремальной задачи выпуклого программирования (в частности, линейного программирования) при ее решении одним из классических методов методом разрешающих множителей (методом Лагранжа).… … Справочник технического переводчика
Механики. 1) Лагранжа уравнения 1 го рода дифференциальные ур ния движения механич. системы, к рые даны в проекциях на прямоугольные координатные оси и содержат т. н. множители Лагранжа. Получены Ж. Лагранжем в 1788. Для голономной системы,… … Физическая энциклопедия
Механики обыкновенные дифференциальные уравнения 2 го порядка, описывающие движения механич. систем под действием приложенных к ним сил. Л. у. установлены Ж. Лаг ранжем в двух формах: Л. у. 1 го рода, или уравнения в декартовых координатах с… … Математическая энциклопедия
1) в гидромеханике ур ния движения жидкости (газа) в переменных Лагранжа, к рыми являются координаты ч ц среды. Получены франц. учёным Ж. Лагранжем (J. Lagrange; ок. 1780). Из Л. у. определяется закон движения ч ц среды в виде зависимостей… … Физическая энциклопедия
Метод множителей Лагранжа, метод нахождения условного экстремума функции f(x), где, относительно m ограничений, i меняется от единицы до m. Содержание 1 Описание метода … Википедия
Функция, используемая при решении задач на условный экстремум функций многих переменных и функционалов. С помощью Л. ф. записываются необходимые условия оптимальности в задачах на условный экстремум. При этом не требуется выражать одни переменные … Математическая энциклопедия
Метод решения задач на Условный экстремум; Л. м. м. заключается в сведении этих задач к задачам на безусловный экстремум вспомогательной функции т. н. функции Лагранжа. Для задачи об экстремуме функции f (х1, x2,..., xn) при… …
Переменные, с помощью к рых строится Лагранжа функция при исследовании задач на условный экстремум. Использование Л. м. и функции Лагранжа позволяет единообразным способом получать необходимые условия оптимальности в задачах на условный экстремум … Математическая энциклопедия
1) в гидромеханике уравнения движения жид кой среды, записанные в переменных Лагранжа, которыми являются координаты частиц среды. Из Л. у. определяется закон движения частиц среды в виде зависимостей координат от времени, а по ним… … Большая советская энциклопедия
1.9 Метод неопределенных множителей Лагранжа
Естественно, что решение задач условной оптимизации значительно сложнее решения задач безусловной оптимизации . Естественно стремление сведения задачи условной оптимизации (поиска относительного экстремума) к более простой задаче безусловной оптимизации (поиска абсолютного экстремума). Такая процедура осуществляется в методе Лагранжа. Рассмотрим сущность этого метода.
Необходимо найти условный экстремум нелинейной функции
n переменных, при m ограничениях
(1.56)
Ограничения-неравенства преобразуются в равенства, а свободные члены переносятся в левые части ограничений, т.е. система (1.56) приводится к виду
(1.57)
В соответствии с методом Лагранжа вместо относительного экстремума функции (1.55) при ограничениях (1.57) ищется абсолютный экстремум функции Лагранжа, которая имеет следующий вид:
где - неопределенные множители Лагранжа, являющиеся, как и переменные искомыми переменными.
Видно, что в функцию Лагранжа входит целевая функция плюс каждое ограничение, умноженное на множитель Лагранжа.
Доказано, что относительный экстремум целевой функции (1.55) при ограничениях (1.57) совпадает с абсолютным экстремумом функции Лагранжа (1.58).
Поиск абсолютного экстремума функции (1.58) выполняется известными методами. В частности, определяются и приравниваются к нулю частные производные функции Лагранжа:
(1.59)
Последние m уравнений представляют собой ограничения (1.57) оптимизационной задачи.
Система (1.59) содержит (m+n) уравнений и такое же количество неизвестных.
Решение системы (1.59) даст координаты абсолютного минимума функции Лагранжа (1.58) или относительного минимума целевой функции (1.55) при ограничениях (1.57).
Решение системы (1.59) выполняется известными методами вычислительной математики. Если система (1.59) линейная, используется, как правило, метод Гаусса. Если система (1.59) нелинейная – метод Ньютона.
1.10 Выбор метода оптимизации
Перед выбором метода оптимизации, проведем краткий анализ задач, которые должно решать разрабатываемое программное обеспечение:
программа должна решать задачу условной минимизации, т.е. находить относительный экстремум, так как в математической модели кроме линейных ограничений будут иметь место и нелинейные;
так как целевая функция – функция нескольких переменных, то она может иметь несколько экстремумов, и в этом случае программа должна осуществлять поиск локального минимума.
Проведя анализ наиболее часто использующихся методов оптимизации, для реализации поставленной цели был выбран градиентный метод квадратичного программирования, который представляет собой наиболее эффективный из вышеперечисленных градиентных методов, модифицированный с методами полиномиальной аппроксимации.
Предполагается, что целевая функция и граничные условия аппроксимируются квадратичными зависимостями или полиномами второго порядка. Более подробно этот метод будет рассмотрен далее в разделе "Разработка программного обеспечения метода оптимизации".
Данный метод позволяет создать надежную программу, соответствующую всем вышеперечисленным требованиям.
2. Разработка метода оптимизации по реактивной мощности
Требуемая в электроэнергетической системе (ЭЭС) суммарная мощность компенсирующих устройств определяется из уравнения баланса реактивной мощности (6.1). Эту мощность необходимо разместить в узлах электрической сети с минимальными затратами.
где - суммарная реактивная мощность, генерируемая в ЭЭС, включая реактивную мощность, поступающую из соседних ЭЭС;
Суммарная реактивная мощность потребителей ЭЭС, включая реактивную мощность, отдавая в соседние ЭЭС;
Суммарная реактивная мощность собственных нужд электростанций;
Суммарные потери реактивной мощности;
Суммарное потребление реактивной мощности в ЭЭС.
Рассмотрим простейшую схему существующей сети (рис.2.1). от источника питания с напряжением U через сопротивление сети R получает питание нагрузка мощностью S=P+jQ . На шинах нагрузки установлено компенсирующее устройство мощностью Qк.
Рисунок 2.1 – Простейшая схема компенсации реактивной мощности
Потери активной мощности в линии при отсутствии у потребителя компенсирующего устройства () составляют
. (2.2)
При установке у потребителя компенсирующего устройства () эти потери уменьшатся до величины
. (2.3)
Таким образом, компенсация реактивной мощности позволяет уменьшить потери активной мощности в схеме электроснабжения и, следовательно, улучшить технико-экономические показатели этой схемы.
Оценим влияние КУ на затраты в сети.
Выражение для суммарных затрат на передачу мощности к нагрузке при установке КУ будет иметь вид:
(2.4)
где ЗК – затраты на КУ;
соΔР – затраты на покрытие потерь активной мощности в сети;
со – стоимость единицы потерянной активной мощности;
зк – удельные затраты на КУ.
Для определения минимума функции З приравняем к нулю ее производную от переменной QK:
(2.5)
Из (2.5) определяется экономически целесообразная реактивная мощность, передача которой от источника к потребителю отвечает минимуму затрат З
(2.6)
Величина QЭ не зависит от активной мощности Р, а зависит лишь от соотношения стоимостных показателей зк и со и параметров сети U и R, по которой передается мощность.
Вопрос о размещении компенсирующих устройств в электрической сети реальной ЭЭС представляет собой сложную оптимизационную задачу. Сложность заключается в том, что электроэнергетические системы являются большими системами, состоящими из взаимосвязанных подсистем. Рассматривать изолированно каждую отдельную подсистему нельзя, поскольку свойства больших систем определяются характером взаимосвязей отдельных подсистем.
При анализе больших систем используется системный подход , согласно которому анализ большой системы выполняется при разделении ее на подсистемы, непосредственно не связанные между собой, но влияющие друг на друга через систему более высокого уровня.
Применительно к рассматриваемому вопросу электрическая сеть представляется разными уровнями, как это показано на рис. 2.2. верхний уровень – это электрическая сеть напряжением 110 кВ и выше. Эта сложнозамкнутая электрическая сеть, представляемая полной схемой замещения, показана на рис.2.2 условно, как ЭС1. Реактивные мощности, вырабатываемые генераторами электростанций QЭС, компенсирующими устройствами QК, линиями электропередачи QС, а также реактивные мощности, протекающие по связям с соседними ЭС2 и ЭС3 (Q12, Q21, Q13, Q31) обеспечивают в ЭС1 располагаемую реактивную мощность Qр1.
Рисунок 2.2 – Схема размещения КУ в электрической сети
Второй уровень – это множество n разомкнутых местных распределительных сетей напряжением 35 кВ и ниже, присоединенных к n узлам электрической сети верхнего уровня через трансформаторы Т. Эти местные распределительные сети непосредственно не связаны между собой, но влияют друг на друга через сеть верхнего уровня. Синхронные генераторы, компенсаторы и двигатели в каждой такой распределительной сети представлены одной эквивалентной синхронной машиной G. От местных электрических сетей через распределительные трансформаторы Т1 питаются низковольтные потребители P+jQ.
Компенсирующие устройства могут устанавливаться на шинах высшего (jQкв) и низшего (jQкс) напряжения трансформаторов Т, а также на шинах 0,4 кВ распределительных трансформаторов Т1 и в самой сети 0,4 кВ (jQкн). Значение мощностей этих КУ и подлежит определению.
В общем виде задача оптимизации размещения КУ формулируется следующим образом: определить реактивные мощности имеющихся в узлах 6…35 кВ синхронных машин G, мощности КУ в сетях всех напряжений Qкв, Qкс, Qкн, а также значения реактивных мощностей Qэi (i=1, 2, …n), передаваемых в сети потребителей, при которых обеспечивается минимум суммарных затрат.
Расчеты компенсации реактивной мощности для сетей всех видов выполняются как при проектировании развития электрических сетей, так и в условиях их эксплуатации. При проектировании определяются мощности КУ и решается задача их распределения в электрической сети. В условиях эксплуатации определяют оптимальные режимы имеющихся КУ в течение суток. Критериями оптимальности в этом случае служат минимум потерь мощности и энергии и соответствие отклонений напряжений допустимым значениям.
При проектировании схемы электроснабжения, как правило, минимизируются денежные затраты на эту схему. Снижение потерь мощности за счет установки КУ уменьшает затраты на схему, по следующим причинам:
каждый потерянный кВт мощности необходимо выработать на электростанциях и, следовательно, затратить на это денежные средства;
генерация недополученной реактивной мощности на электростанциях обходится гораздо дороже, чем потребление (в 3 раза!).
Однако и компенсирующие устройства требуют денежных затрат.
В связи с этим возникает задача определения оптимальной мощности компенсирующих устройств, отвечающей минимуму суммарных затрат. Такая задача относится к задаче безусловной оптимизации и может быть решена, например, градиентными методами.
Рассмотрим такую задачу для магистральной схемы электроснабжения (рис. 2.3). Необходимо определить мощности компенсирующих устройств QК1 и QК2 в узлах 1 и 2 исходя из условия минимума суммарных затрат на установку этих устройств и покрытие потерь активной мощности в схеме.
Рисунок 2.3 – Схема электроснабжения
Исходные данные:
напряжение схемы U;
сопротивления линий R1 и R2;
реактивные нагрузки узлов 1 и 2 Q1 и Q2;
удельные затраты на установку компенсирующих устройств zo;
удельные затраты на покрытие потерь активной мощности со.
Целевая функция, представляющая собой суммарные затраты на установку компенсирующих устройств и покрытие потерь активной мощности в схеме, имеет следующий вид
где а1=R1∙co∙10-3/U2=0,0006;
а2=R2∙co∙10-3/U2=0,0004.
Введение числового коэффициента 10-3 необходимо для приведения всех составляющих целевой функции к одной размерности (у.е.).
Для решения задачи выберем метод покоординатного спуска. Определим частные производные целевой функции Z по переменным Q1 и Q2:
(2.8)
Примем исходное приближение:
Для этих значений вычислим значения целевой функции и ее частных производных.
Примем, что в направлении переменной Qk2 целевая функция Z убывает сильнее, чем в направлении переменной Qk1, т.е.
(2.10)
В направлении переменной Qk2 и начнем спуск.
Примем величину шага =400 квар. Первое приближение (первый шаг) будет Qk11=0, Qk21=400 квар. Рассчитываем значение целевой функции Z1.
Второй шаг: Qk12=0, Qk22=400 квар. Рассчитываем значение целевой функции Z2.
Спуск по координате Qk2 следует продолжать до тех пор, пока Zn Выполним новый шаг в направлении другой переменной Qk1. Находится новое значение целевой функции Z. Спуск по этой переменной продолжается так же, как и в направлении Qk2 – до тех пор, пока Zm Точка с полученными координатами Qk1m-1, Qk2n-1 находится в окрестности минимума целевой функции Z. При принятой длине шага =400квар более точное решение получено быть не может. Для получения более точного решения необходимо уменьшить шаг и продолжить спуск. Абсолютно точно что, чем меньше шаг, тем точнее будет результат. Посредством ручного расчета мы не можем добиться такой точности. Для решения этой задачи целесообразно будет использовать программное обеспечение, предназначенное для решения задачи нелинейного программирования с нелинейными ограничениями. Одним из таких языков программирования является язык С++. Это была рассмотрена задача безусловной оптимизации, т.е. нахождения абсолютного минимума. При решении поставленной задачи для нахождения оптимального режима работы сети ОАО "ММК им. Ильича" требуется найти относительный минимум, так как система ограничений будет иметь нелинейный вид (см. далее "Разработка программного обеспечения"). Таким образом, перед нами ставится задача условной оптимизации по реактивной мощности, для которой мы применяем выбранный ранее градиентный метод квадратичного программирования.
Информация о работе «Анализ режимов работы электрических сетей ОАО "ММК им. Ильича" и разработка адаптивной системы управления режимами электропотребления» Для начала рассмотрим случай функции двух переменных. Условным экстремумом функции $z=f(x,y)$ в точке $M_0(x_0;y_0)$ называется экстремум этой функции, достигнутый при условии, что переменные $x$ и $y$ в окрестности данной точки удовлетворяют уравнению связи $\varphi (x,y)=0$. Название «условный» экстремум связано с тем, что на переменные наложено дополнительное условие $\varphi(x,y)=0$. Если из уравнения связи можно выразить одну переменную через другую, то задача определения условного экстремума сводится к задаче на обычный экстремум функции одной переменной. Например, если из уравнения связи следует $y=\psi(x)$, то подставив $y=\psi(x)$ в $z=f(x,y)$, получим функцию одной переменной $z=f\left(x,\psi(x)\right)$. В общем случае, однако, такой метод малопригоден, поэтому требуется введение нового алгоритма. Метод множителей Лагранжа состоит в том, что для отыскания условного экстремума составляют функцию Лагранжа: $F(x,y)=f(x,y)+\lambda\varphi(x,y)$ (параметр $\lambda$ называют множителем Лагранжа). Необходимые условия экстремума задаются системой уравнений, из которой определяются стационарные точки:
$$
\left \{ \begin{aligned}
& \frac{\partial F}{\partial x}=0;\\
& \frac{\partial F}{\partial y}=0;\\
& \varphi (x,y)=0.
\end{aligned} \right.
$$
Достаточным условием, из которого можно выяснить характер экстремума, служит знак $d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2$. Если в стационарной точке $d^2F > 0$, то функция $z=f(x,y)$ имеет в данной точке условный минимум, если же $d^2F < 0$, то условный максимум. Есть и другой способ для определения характера экстремума. Из уравнения связи получаем: $\varphi_{x}^{"}dx+\varphi_{y}^{"}dy=0$, $dy=-\frac{\varphi_{x}^{"}}{\varphi_{y}^{"}}dx$, поэтому в любой стационарной точке имеем:
$$d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dx\left(-\frac{\varphi_{x}^{"}}{\varphi_{y}^{"}}dx\right)+F_{yy}^{""}\left(-\frac{\varphi_{x}^{"}}{\varphi_{y}^{"}}dx\right)^2=\\
=-\frac{dx^2}{\left(\varphi_{y}^{"} \right)^2}\cdot\left(-(\varphi_{y}^{"})^2 F_{xx}^{""}+2\varphi_{x}^{"}\varphi_{y}^{"}F_{xy}^{""}-(\varphi_{x}^{"})^2 F_{yy}^{""} \right)$$
Второй сомножитель (расположенный в скобке) можно представить в такой форме: Красным цветом выделены элементы определителя $\left| \begin{array} {cc} F_{xx}^{""} & F_{xy}^{""} \\ F_{xy}^{""} & F_{yy}^{""} \end{array} \right|$, который является гессианом функции Лагранжа. Если $H > 0$, то $d^2F < 0$, что указывает на условный максимум. Аналогично, при $H < 0$ имеем $d^2F > 0$, т.е. имеем условный минимум функции $z=f(x,y)$. Примечание относительно формы записи определителя $H$. показать\скрыть
$$
H=-\left|\begin{array} {ccc} 0 & \varphi_{x}^{"} & \varphi_{y}^{"}\\ \varphi_{x}^{"} & F_{xx}^{""} & F_{xy}^{""} \\ \varphi_{y}^{"} & F_{xy}^{""} & F_{yy}^{""} \end{array} \right|
$$
В этой ситуации сформулированное выше правило изменится следующим образом: если $H > 0$, то функция имеет условный минимум, а при $H < 0$ получим условный максимум функции $z=f(x,y)$. При решении задач следует учитывать такие нюансы. Допустим, мы имеем функцию $n$ переменных $z=f(x_1,x_2,\ldots,x_n)$ и $m$ уравнений связи ($n > m$):
$$\varphi_1(x_1,x_2,\ldots,x_n)=0; \; \varphi_2(x_1,x_2,\ldots,x_n)=0,\ldots,\varphi_m(x_1,x_2,\ldots,x_n)=0.$$
Обозначив множители Лагранжа как $\lambda_1,\lambda_2,\ldots,\lambda_m$, составим функцию Лагранжа:
$$F(x_1,x_2,\ldots,x_n,\lambda_1,\lambda_2,\ldots,\lambda_m)=f+\lambda_1\varphi_1+\lambda_2\varphi_2+\ldots+\lambda_m\varphi_m$$
Необходимые условия наличия условного экстремума задаются системой уравнений, из которой находятся координаты стационарных точек и значения множителей Лагранжа:
$$\left\{\begin{aligned}
& \frac{\partial F}{\partial x_i}=0; (i=\overline{1,n})\\
& \varphi_j=0; (j=\overline{1,m})
\end{aligned} \right.$$
Выяснить, условный минимум или условный максимум имеет функция в найденной точке, можно, как и ранее, посредством знака $d^2F$. Если в найденной точке $d^2F > 0$, то функция имеет условный минимум, если же $d^2F < 0$, - то условный максимум. Можно пойти иным путем, рассмотрев следующую матрицу: Определитель матрицы $\left| \begin{array} {ccccc} \frac{\partial^2F}{\partial x_{1}^{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{1}\partial x_{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{1}\partial x_{3}} &\ldots & \frac{\partial^2F}{\partial x_{1}\partial x_{n}}\\
\frac{\partial^2F}{\partial x_{2}\partial x_1} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{2}^{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{2}\partial x_{3}} &\ldots & \frac{\partial^2F}{\partial x_{2}\partial x_{n}}\\
\frac{\partial^2F}{\partial x_{3} \partial x_{1}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{3}\partial x_{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{3}^{2}} &\ldots & \frac{\partial^2F}{\partial x_{3}\partial x_{n}}\\
\ldots & \ldots & \ldots &\ldots & \ldots\\
\frac{\partial^2F}{\partial x_{n}\partial x_{1}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{n}\partial x_{2}} & \frac{\partial^2F}{\partial x_{n}\partial x_{3}} &\ldots & \frac{\partial^2F}{\partial x_{n}^{2}}\\
\end{array} \right|$, выделенной в матрице $L$ красным цветом, есть гессиан функции Лагранжа. Используем следующее правило: Пример №1 Найти условный экстремум функции $z(x,y)=x+3y$ при условии $x^2+y^2=10$. Геометрическая интерпретация данной задачи такова: требуется найти наибольшее и наименьшее значение аппликаты плоскости $z=x+3y$ для точек ее пересечения с цилиндром $x^2+y^2=10$. Выразить одну переменную через другую из уравнения связи и подставить ее в функцию $z(x,y)=x+3y$ несколько затруднительно, поэтому будем использовать метод Лагранжа. Обозначив $\varphi(x,y)=x^2+y^2-10$, составим функцию Лагранжа:
$$
F(x,y)=z(x,y)+\lambda \varphi(x,y)=x+3y+\lambda(x^2+y^2-10);\\
\frac{\partial F}{\partial x}=1+2\lambda x; \frac{\partial F}{\partial y}=3+2\lambda y.
$$
Запишем систему уравнений для определения стационарных точек функции Лагранжа:
$$
\left \{ \begin{aligned}
& 1+2\lambda x=0;\\
& 3+2\lambda y=0;\\
& x^2+y^2-10=0.
\end{aligned} \right.
$$
Если предположить $\lambda=0$, то первое уравнение станет таким: $1=0$. Полученное противоречие говорит о том, что $\lambda\neq 0$. При условии $\lambda\neq 0$ из первого и второго уравнений имеем: $x=-\frac{1}{2\lambda}$, $y=-\frac{3}{2\lambda}$. Подставляя полученные значения в третье уравнение, получим:
$$
\left(-\frac{1}{2\lambda} \right)^2+\left(-\frac{3}{2\lambda} \right)^2-10=0;\\
\frac{1}{4\lambda^2}+\frac{9}{4\lambda^2}=10; \lambda^2=\frac{1}{4}; \left[ \begin{aligned} & \lambda_1=-\frac{1}{2};\\ & \lambda_2=\frac{1}{2}. \end{aligned} \right.\\
\begin{aligned}
& \lambda_1=-\frac{1}{2}; \; x_1=-\frac{1}{2\lambda_1}=1; \; y_1=-\frac{3}{2\lambda_1}=3;\\
& \lambda_2=\frac{1}{2}; \; x_2=-\frac{1}{2\lambda_2}=-1; \; y_2=-\frac{3}{2\lambda_2}=-3.\end{aligned}
$$
Итак, система имеет два решения: $x_1=1;\; y_1=3;\; \lambda_1=-\frac{1}{2}$ и $x_2=-1;\; y_2=-3;\; \lambda_2=\frac{1}{2}$. Выясним характер экстремума в каждой стационарной точке: $M_1(1;3)$ и $M_2(-1;-3)$. Для этого вычислим определитель $H$ в каждой из точек.
$$
\varphi_{x}^{"}=2x;\; \varphi_{y}^{"}=2y;\; F_{xx}^{""}=2\lambda;\; F_{xy}^{""}=0;\; F_{yy}^{""}=2\lambda.\\
H=\left| \begin{array} {ccc} 0 & \varphi_{x}^{"} & \varphi_{y}^{"}\\ \varphi_{x}^{"} & F_{xx}^{""} & F_{xy}^{""} \\ \varphi_{y}^{"} & F_{xy}^{""} & F_{yy}^{""} \end{array} \right|=
\left| \begin{array} {ccc} 0 & 2x & 2y\\ 2x & 2\lambda & 0 \\ 2y & 0 & 2\lambda \end{array} \right|=
8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & x & y\\ x & \lambda & 0 \\ y & 0 & \lambda \end{array} \right|
$$
В точке $M_1(1;3)$ получим: $H=8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & x & y\\ x & \lambda & 0 \\ y & 0 & \lambda \end{array} \right|=
8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & 1 & 3\\ 1 & -1/2 & 0 \\ 3 & 0 & -1/2 \end{array} \right|=40 > 0$, поэтому в точке $M_1(1;3)$ функция $z(x,y)=x+3y$ имеет условный максимум, $z_{\max}=z(1;3)=10$. Аналогично, в точке $M_2(-1;-3)$ найдем: $H=8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & x & y\\ x & \lambda & 0 \\ y & 0 & \lambda \end{array} \right|=
8\cdot\left| \begin{array} {ccc} 0 & -1 & -3\\ -1 & 1/2 & 0 \\ -3 & 0 & 1/2 \end{array} \right|=-40$. Так как $H < 0$, то в точке $M_2(-1;-3)$ имеем условный минимум функции $z(x,y)=x+3y$, а именно: $z_{\min}=z(-1;-3)=-10$. Отмечу, что вместо вычисления значения определителя $H$ в каждой точке, гораздо удобнее раскрыть его в общем виде. Дабы не загромождать текст подробностями, этот способ скрою под примечание. Запись определителя $H$ в общем виде. показать\скрыть $$
H=8\cdot\left|\begin{array}{ccc}0&x&y\\x&\lambda&0\\y&0&\lambda\end{array}\right|
=8\cdot\left(-\lambda{y^2}-\lambda{x^2}\right)
=-8\lambda\cdot\left(y^2+x^2\right).
$$
В принципе, уже очевидно, какой знак имеет $H$. Так как ни одна из точек $M_1$ или $M_2$ не совпадает с началом координат, то $y^2+x^2>0$. Следовательно, знак $H$ противоположен знаку $\lambda$. Можно и довести вычисления до конца:
$$
\begin{aligned}
&H(M_1)=-8\cdot\left(-\frac{1}{2}\right)\cdot\left(3^2+1^2\right)=40;\\
&H(M_2)=-8\cdot\frac{1}{2}\cdot\left((-3)^2+(-1)^2\right)=-40.
\end{aligned}
$$ Вопрос о характере экстремума в стационарных точках $M_1(1;3)$ и $M_2(-1;-3)$ можно решить и без использования определителя $H$. Найдем знак $d^2F$ в каждой стационарной точке:
$$
d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=2\lambda \left(dx^2+dy^2\right)
$$
Отмечу, что запись $dx^2$ означает именно $dx$, возведённый в вторую степень, т.е. $\left(dx \right)^2$. Отсюда имеем: $dx^2+dy^2>0$, посему при $\lambda_1=-\frac{1}{2}$ получим $d^2F < 0$. Следовательно, функция имеет в точке $M_1(1;3)$ условный максимум. Аналогично, в точке $M_2(-1;-3)$ получим условный минимум функции $z(x,y)=x+3y$. Отметим, что для определения знака $d^2F$ не пришлось учитывать связь между $dx$ и $dy$, ибо знак $d^2F$ очевиден без дополнительных преобразований. В следующем примере для определения знака $d^2F$ уже будет необходимо учесть связь между $dx$ и $dy$. Ответ
: в точке $(-1;-3)$ функция имеет условный минимум, $z_{\min}=-10$. В точке $(1;3)$ функция имеет условный максимум, $z_{\max}=10$ Пример №2 Найти условный экстремум функции $z(x,y)=3y^3+4x^2-xy$ при условии $x+y=0$. Обозначив $\varphi(x,y)=x+y$ составим функцию Лагранжа: $F(x,y)=z(x,y)+\lambda \varphi(x,y)=3y^3+4x^2-xy+\lambda(x+y)$.
$$
\frac{\partial F}{\partial x}=8x-y+\lambda; \; \frac{\partial F}{\partial y}=9y^2-x+\lambda.\\
\left \{ \begin{aligned} & 8x-y+\lambda=0;\\ & 9y^2-x+\lambda=0; \\ & x+y=0. \end{aligned} \right.
$$
Решив систему, получим: $x_1=0$, $y_1=0$, $\lambda_1=0$ и $x_2=\frac{10}{9}$, $y_2=-\frac{10}{9}$, $\lambda_2=-10$. Имеем две стационарные точки: $M_1(0;0)$ и $M_2 \left(\frac{10}{9};-\frac{10}{9} \right)$. Выясним характер экстремума в каждой стационарной точке с использованием определителя $H$.
$$
H=\left| \begin{array} {ccc} 0 & \varphi_{x}^{"} & \varphi_{y}^{"}\\ \varphi_{x}^{"} & F_{xx}^{""} & F_{xy}^{""} \\ \varphi_{y}^{"} & F_{xy}^{""} & F_{yy}^{""} \end{array} \right|=
\left| \begin{array} {ccc} 0 & 1 & 1\\ 1 & 8 & -1 \\ 1 & -1 & 18y \end{array} \right|=-10-18y
$$
В точке $M_1(0;0)$ $H=-10-18\cdot 0=-10 < 0$, поэтому $M_1(0;0)$ есть точка условного минимума функции $z(x,y)=3y^3+4x^2-xy$, $z_{\min}=0$. В точке $M_2\left(\frac{10}{9};-\frac{10}{9}\right)$ $H=10 > 0$, посему в данной точке функция имеет условный максимум, $z_{\max}=\frac{500}{243}$. Исследуем характер экстремума в каждой из точек иным методом, основываясь на знаке $d^2F$:
$$
d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=8dx^2-2dxdy+18ydy^2
$$
Из уравнения связи $x+y=0$ имеем: $d(x+y)=0$, $dx+dy=0$, $dy=-dx$.
$$
d^2 F=8dx^2-2dxdy+18ydy^2=8dx^2-2dx(-dx)+18y(-dx)^2=(10+18y)dx^2
$$
Так как $ d^2F \Bigr|_{M_1}=10 dx^2 > 0$, то $M_1(0;0)$ является точкой условного минимума функции $z(x,y)=3y^3+4x^2-xy$. Аналогично, $d^2F \Bigr|_{M_2}=-10 dx^2 < 0$, т.е. $M_2\left(\frac{10}{9}; -\frac{10}{9} \right)$ - точка условного максимума. Из уравнения связи $x+y=0$ получим: $y=-x$. Подставив $y=-x$ в функцию $z(x,y)=3y^3+4x^2-xy$, получим некоторую функцию переменной $x$. Обозначим эту функцию как $u(x)$:
$$
u(x)=z(x,-x)=3\cdot(-x)^3+4x^2-x\cdot(-x)=-3x^3+5x^2.
$$
Таким образом задачу о нахождении условного экстремума функции двух переменных мы свели к задаче определения экстремума функции одной переменной.
$$
u_{x}^{"}=-9x^2+10x;\\
-9x^2+10x=0; \; x\cdot(-9x+10)=0;\\
x_1=0; \; y_1=-x_1=0;\\
x_2=\frac{10}{9}; \; y_2=-x_2=-\frac{10}{9}.
$$
Получили точки $M_1(0;0)$ и $M_2\left(\frac{10}{9}; -\frac{10}{9}\right)$. Дальнейшее исследование известно из курса дифференциального исчисления функций одной переменой. Исследуя знак $u_{xx}^{""}$ в каждой стационарной точке или проверяя смену знака $u_{x}^{"}$ в найденных точках, получим те же выводы, что и при решении первым способом. Например, проверим знак $u_{xx}^{""}$:
$$u_{xx}^{""}=-18x+10;\\
u_{xx}^{""}(M_1)=10;\;u_{xx}^{""}(M_2)=-10.$$
Так как $u_{xx}^{""}(M_1)>0$, то $M_1$ - точка минимума функции $u(x)$, при этом $u_{\min}=u(0)=0$. Так как $u_{xx}^{""}(M_2)<0$, то $M_2$ - точка максимума функции $u(x)$, причём $u_{\max}=u\left(\frac{10}{9}\right)=\frac{500}{243}$. Значения функции $u(x)$ при заданном условии связи совпадают с значениями функции $z(x,y)$, т.е. найденные экстремумы функции $u(x)$ и есть искомые условные экстремумы функции $z(x,y)$. Ответ
: в точке $(0;0)$ функция имеет условный минимум, $z_{\min}=0$. В точке $\left(\frac{10}{9}; -\frac{10}{9} \right)$ функция имеет условный максимум, $z_{\max}=\frac{500}{243}$. Рассмотрим еще один пример, в котором характер экстремума выясним посредством определения знака $d^2F$. Пример №3 Найти наибольшее и наименьшее значения функции $z=5xy-4$, если переменные $x$ и $y$ положительны и удовлетворяют уравнению связи $\frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1=0$. Составим функцию Лагранжа: $F=5xy-4+\lambda \left(\frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1 \right)$. Найдем стационарные точки функции Лагранжа:
$$
F_{x}^{"}=5y+\frac{\lambda x}{4}; \; F_{y}^{"}=5x+\lambda y.\\
\left \{ \begin{aligned}
& 5y+\frac{\lambda x}{4}=0;\\
& 5x+\lambda y=0;\\
& \frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1=0;\\
& x > 0; \; y > 0.
\end{aligned} \right.
$$
Все дальнейшие преобразования осуществляются с учетом $x > 0; \; y > 0$ (это оговорено в условии задачи). Из второго уравнения выразим $\lambda=-\frac{5x}{y}$ и подставим найденное значение в первое уравнение: $5y-\frac{5x}{y}\cdot \frac{x}{4}=0$, $4y^2-x^2=0$, $x=2y$. Подставляя $x=2y$ в третье уравнение, получим: $\frac{4y^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1=0$, $y^2=1$, $y=1$. Так как $y=1$, то $x=2$, $\lambda=-10$. Характер экстремума в точке $(2;1)$ определим, исходя из знака $d^2F$.
$$
F_{xx}^{""}=\frac{\lambda}{4}; \; F_{xy}^{""}=5; \; F_{yy}^{""}=\lambda.
$$
Так как $\frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1=0$, то:
$$
d\left(\frac{x^2}{8}+\frac{y^2}{2}-1\right)=0; \; d\left(\frac{x^2}{8} \right)+d\left(\frac{y^2}{2} \right)=0; \; \frac{x}{4}dx+ydy=0; \; dy=-\frac{xdx}{4y}.
$$
В принципе, здесь можно сразу подставить координаты стационарной точки $x=2$, $y=1$ и параметра $\lambda=-10$, получив при этом:
$$
F_{xx}^{""}=\frac{-5}{2}; \; F_{xy}^{""}=-10; \; dy=-\frac{dx}{2}.\\
d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=-\frac{5}{2}dx^2+10dx\cdot \left(-\frac{dx}{2} \right)-10\cdot \left(-\frac{dx}{2} \right)^2=\\
=-\frac{5}{2}dx^2-5dx^2-\frac{5}{2}dx^2=-10dx^2.
$$
Однако в других задачах на условный экстремум стационарных точек может быть несколько. В таких случаях лучше $d^2F$ представить в общем виде, а потом подставлять в полученное выражение координаты каждой из найденных стационарных точек:
$$
d^2 F=F_{xx}^{""}dx^2+2F_{xy}^{""}dxdy+F_{yy}^{""}dy^2=\frac{\lambda}{4}dx^2+10\cdot dx\cdot \frac{-xdx}{4y} +\lambda\cdot \left(-\frac{xdx}{4y} \right)^2=\\
=\frac{\lambda}{4}dx^2-\frac{5x}{2y}dx^2+\lambda \cdot \frac{x^2dx^2}{16y^2}=\left(\frac{\lambda}{4}-\frac{5x}{2y}+\frac{\lambda \cdot x^2}{16y^2} \right)\cdot dx^2
$$
Подставляя $x=2$, $y=1$, $\lambda=-10$, получим:
$$
d^2 F=\left(\frac{-10}{4}-\frac{10}{2}-\frac{10 \cdot 4}{16} \right)\cdot dx^2=-10dx^2.
$$
Так как $d^2F=-10\cdot dx^2 < 0$, то точка $(2;1)$ есть точкой условного максимума функции $z=5xy-4$, причём $z_{\max}=10-4=6$. Ответ
: в точке $(2;1)$ функция имеет условный максимум, $z_{\max}=6$. В следующей части рассмотрим применение метода Лагранжа для функций большего количества переменных.Метод множителей Лагранжа для функций двух переменных.
Алгоритм исследования функции двух переменных на условный экстремум
Метод множителей Лагранжа для функций n переменных
Первый способ (метод множителей Лагранжа)
Второй способ
