拉格朗日乘子法
先引入百度百科的定义。
在数学最优问题中,拉格朗日乘数法(以数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日命名)是一种寻找变量受一个或多个条件所限制的多元函数的极值的方法。这种方法将一个有n 个变量与k 个约束条件的最优化问题转换为一个有n + k个变量的方程组的极值问题,其变量不受任何约束。这种方法引入了一种新的标量未知数,即拉格朗日乘数:约束方程的梯度(gradient)的线性组合里每个向量的系数。
示例:
设给定二元函数z=ƒ(x,y)和约束条件φ(x,y)=0,为寻找z=ƒ(x,y)在约束条件下的极值点,先做拉格朗日函数,其中其中λ为参数
令F(x,y,λ)对x和y和λ的一阶偏导数等于零,即
由上述方程组解出x,y及λ,如此求得的(x,y),就是函数z=ƒ(x,y)在约束条件φ(x,y)=0下的可能极值点。若这样的点只有一个,由实际问题可直接确定此即所求的点。
接下来讲一下为什么F(x,y,λ)一阶导数等于0的解(x,y)就是ƒ(x,y)在约束φ(x,y)=0下的可能极值点
参考这样一个示例
先看一下原问题:求z=ƒ(x,y)在约束条件φ(x,y)=0下的极值点,我们假设f(x,y)就是一座山的高度,ƒ(x,y)=C为山的等高线族,曲线L为约束条件,可以发现,当在约束条件的范围中找ƒ(x,y)的极值点时,可能的极值点必定为ƒ(x,y)与φ(x,y)相切的点,即M1,M2,M3,其他非相切的点一定不是极值点。
因为两曲线在切点处必有公法线,所以目标函数等值线在点处法向量
与约束条件在点
处法向量
平行,即
也就是说,存在实数,使下式成立