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极值的方法。这种方法将一个有n 个变量与k 个约束条件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,先做拉格朗日函数拉格朗日乘子法,其中其中λ为参数

拉格朗日乘子法

令F(x,y,λ)对x和y和λ的一阶偏导数等于零,即

拉格朗日乘子法

拉格朗日乘子法

拉格朗日乘子法

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

拉格朗日乘子法

                                        

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拉格朗日乘子法处法向量拉格朗日乘子法与约束条件在点拉格朗日乘子法处法向量拉格朗日乘子法平行,即

拉格朗日乘子法

也就是说,存在实数拉格朗日乘子法,使下式成立

拉格朗日乘子法

拉格朗日乘子法