Как найти точку по теореме лагранжа - Сайт, где вы сможете решить свои вопросы

Проведем хорду графика функции , изображенного на рисунке 37. Из чертежа видно, что на дуге найдется точка касательная в которой к данной кривой параллельна хорде Угловые коэффициенты этой касательной и прямой равны. Но

Значит, внутри отрезка нашлась точка с, в которой выполняется равенство

Это утверждение и составляет суть теоремы Лагранжа. Дадим строгое доказательство этой теоремы, не опирающееся на наглядность.

Теорема 3 (теорема Лагранжа). Пусть функция непрерывна на отрезке и дифференцируема во всех внутренних точках отрезка. Тогда в интервале найдется точка с в которой выполняется равенство

Доказательство. Пусть — уравнение хорды, проходящей через точки Угловой коэффициент этой прямой равен, как известно,

Рассмотрим функцию . Функция является разностью двух непрерывных функций, а

потому непрерывна на отрезке Аналогично доказывается, что она дифференцируема в каждой внутренней точке отрезка. Наконец, при и при значения совпадают, а потому функция обращается в 0:

Итак, вспомогательная функция удовлетворяет всем условиям теоремы Ролля, и, следовательно, в интервале найдется, по крайней мере, одна точка с, производная в которой будет равна

При получаем:

откуда

Теорема доказана.

Заметим, что если то из равенства (1) следует Это значит, что теорема Ролля есть частный случай теоремы Лагранжа. Геометрическая иллюстрация представлена на рисунке 38.

Неудобно, что в формуле (1) фигурирует неизвестное число с. Тем не менее, как увидим позднее, это не является препятствием для многочисленных применений этой формулы в математическом анализе.

Пример 3. Проверим, применима ли теорема Лагранжа к функции на отрезке [0; 2]. Если окажется, что теорема применима, то найдем точку с, в которой выполняется равенство (1).

Решение. Функция непрерывна на отрезке [0; 2] и дифференцируема в интервале Значит, условия теоремы Лагранжа выполнены. Из формулы (1) получаем:

В данном случае

Рис. 38

Подставим полученные значения в формулу (2) Лагранжа:

Из этого уравнения находим (второй корень уравнения не годится, так как это число не принадлежит отрезку

Пример 4. Докажем неравенство где

Решение. Функция на отрезке удовлетворяет всем условиям теоремы Лагранжа. Так как применив к функции на отрезке формулу (2), получим:

Так как то Значит, откуда получаем:

Источник

Теорема
25.3 (Лагранж). Если
функция ƒ(х) непрерывна на отрезке [а;b],
дифференцируема на интервале (α;b), то
найдется хотя бы одна точка сє(a;b) такая,
что выполняется равенство

ƒ(b)-ƒ(a)=ƒ'(с)(b-a).
(25.2)

▼ Решение:
Теорему Лагранжа можно рассматривать
как частный случай теоремы Коши.
Действительно, положив φ(х)=х, находим
φ(b)-φ(a)=b-a, φ'(х)=1, φ'(с)=1.

Подставляя
эти значения в формулу

получаем

или
ƒ(b)-ƒ(a)=ƒ'(с)(b-a)
▲.

Полученную
формулу называют формулой
Лагранжа или формулой
о конечном приращении:
приращение дифференцируемой функции
на отрезке [a;b] равно приращению аргумента,
умноженному на значение производной
функции в некоторой внутренней точке
этого отрезка

Теорема
Лагранжа имеет простой геометрический
смысл. Запишем формулу (25.2) в виде

где
α<с<b. Отношение
есть
угловой коэффициент секущей АВ, а
величина ƒ'(с) — угловой коэффициент
касательной к кривой в точке с абсциссой
х=с.

Следовательно,
геометрический смысл теоремы Лагранжа
таков: на графике функции y=f(x) найдется
точка С(с;ƒ(с)) (см. рис. 142), в которой
касательная к графику функции параллельна
секущей АВ.

Следствие
25.1. Если производная функции равна нулю
на некотором промежутке, то функция
постоянна на этом промежутке.

Пусть
ƒ'(х)=0 для  xє(α;b).
Возьмем произвольные x₁ и
х₂ из
(а;b) и пусть x₁<х₂.
Тогда по теореме Лагранжа  сє(х₁;х₂)
такая, что ƒ(х₂)-f(x₁)=ƒ'(с)(х₂-х₁).
Но по условию ƒ'(х)=0, стало быть, ƒ'(с)=0,
где х₁<с<х₂.
Поэтому имеем ƒ(х₂)-ƒ(х₁)=0,
т. е. ƒ(х₂)=f(x₁).
А так как x₁ и
х₂ —
произвольные точки из интервала
(α;b),то  x
є (а;b) имеем ƒ(х)≈с.

Следствие
25.2. Если две функции имеют равные
производные на некотором промежутке,
то они отличаются друг от друга на
постоянное слагаемое.

Пусть
f₁‘ (x)=f₂^‘(x)
при хє(α;b). Тогда (f₁(x)-f₂(x))’=f₁‘(x)-f₂‘(x)=0.
Следовательно, согласно следствию 25.1,
функция f₁(х)-f₂(x)
есть постоянная, т. е. f₁(x)-f₂(x)=C
для  xє(α;b).

<<
Пример 25.1

Доказать,
что arcsinx + arccosx = /2,
где х є [-1;1].

Решение:
Пусть ƒ(х)=arcsinx+arccosx. Тогда  xє(-1;1)
имеем

Отсюда
следует, что ƒ(х)=С, т.е. arcsinx+arccosx=С. Положив
х=0, находим 0+ /2=С,
т. е. С= /2.
Поэтому arcsinx+arccosx= /2.
Это равенство выполняется и при х=±1
(проверьте!).

Аналогично
доказывается, что arctgх+arcctgх= /2.

Формуле
Лагранжа можно придать другой вид.
Применив теорему Лагранжа к отрезку
[х;х+∆х] (∆х>0), будем иметь

ƒ(х+∆х)-ƒ(х)=ƒ'(с)∆х.
(25.3)

Каждое
число сє(х;х+∆х) можно записать в виде
с=х+θ∆х, где 0<θ<1 (действительно,
х<с<х+∆х  0<с-х<∆х  0<
<1;
положим
=θ  с=х+θ∆х).
Формула (25.3) примет вид

ƒ(х+∆х)-ƒ(х)=ƒ'(х+θ∆х)∆х,
где 0<θ<1.

Используя
теорему Лагранжа, можно оценить точность
приближенного равенства ∆у≈dy. Сделаем
это, считая, что функция ƒ(х) имеет
непрерывную вторую производную ƒ”(х):

∆у-dy=(ƒ(х+∆х)-ƒ(х))-ƒ'(х)∆х=ƒ'(с)∆х-ƒ'(х)∆х=(ƒ'(с)-ƒ'(х))∆х=ƒ”(c₁)(c-х)∆х,

где
с₁є(х;с)
(рис. 143).

Итак,
∆у-dy=f”(c₁)(c-х)∆х.
Пусть

Так
как |с-х|<∆х, a ƒ”(c₁)≤M,
то получаем оценку |∆у-dy|≤М|∆х|².

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник

Условный экстремум

4 раздела

от теории до практики

2 примера

Примеры решения задач

видео

Примеры решения задач

Понятие условного экстремума.

Начать изучение
Прямой метод отыскания точек условного экстремума.

Начать изучение
Метод множителей Лагранжа.

Начать изучение
Несколько замечаний о методе множителей Лагранжа.

Начать изучение

Понятие условного экстремума.

Пусть на открытом множестве (G subset boldsymbol{R}^{n}) заданы функции (f_{0}(x)), (f_{1}(x), ldots, f_{m}(x)), причем (m < n), и пусть (E) — множество точек множества (G), удовлетворяющих системе уравнений
$$
f_{1}(x) = 0, ldots, f_{m}(x) = 0.label{ref1}
$$
Уравнения eqref{ref1} будем называть уравнениями связей (или просто связями).

Определение 1.

Точка (x^{0} = (x_{1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) in G) называется точкой условного минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}, если найдется такая окрестность (S_{delta}(x^{0})), что для всех (x in G cap S_{delta}(x^{0})) выполнено неравенство (f_{0}(x) geq f_{0}(x^{0})).

Определение 2.

Точка (x^{0} in G) называется точкой строгого условного минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}, если найдется такая окрестность (S_{delta}(x^{0})), что для всех (x in dot{S}_{delta}(x^{0}) cap G) выполнено неравенство (f_{0}(x) geq f_{0}(x^{0})).

Аналогично определяются точки условного максимума. Точки условного максимума и минимума называются точками условного экстремума.

Прямой метод отыскания точек условного экстремума.

Предположим, что из системы уравнений eqref{ref1} можно выразить какие-либо (m) переменных (x_{i}) через остальные переменные. Тогда, подставив вместо соответствующих переменных (x_{i}) их выражения через остальные (n-m) переменных в функцию (f_{0}(x)), получим функцию (F) от (n-m) переменных.

Задача о нахождении точек экстремума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1} сведется к задаче нахождения обычного (безусловного) экстремума функции (F), зависящей от (n-m) переменных.

Пример 1.

Найти точки условного экстремума функции (z = 1-x^{2}-y^{2}), если (x+y = 1).

Решение.

(vartriangle) Уравнение связи (x+y = 1) легко разрешается относительно переменной (y), а именно (y = 1-x). Подставив это выражение для (y) в функцию (z = 1-x^{2}-y^{2}), получаем, что (z = 1-x^{2}-(1-x)^{2} = 2x-2x^{2}). Функция (2x-2x^{2}) имеет максимум при (x = frac{1}{2}). Точка ((frac{1}{2}, frac{1}{2})) является точкой условного максимума функции (z(x, y)) при наличии связи (x+y = 1), причем (z_{max} = displaystylefrac{1}{2}). (blacktriangle)

Замечание 1.

Прямой метод нахождения условного экстремума редко бывает эффективным ввиду трудности разрешения уравнений связей относительно какой-либо группы переменных.

Метод множителей Лагранжа.

Определение 3.

Рассмотрим функцию (n+m) переменных
$$
L(x, lambda) = f_{0}(x)+lambda_{1}f_{1}(x)+ldots+lambda_{m}f_{m}(x),nonumber
$$
где (x in G), а (lambda = (lambda_{1}, ldots, lambda_{m}) in boldsymbol{R}^{m}). Числа (lambda_{1}, ldots, lambda_{m}) называются множителями Лагранжа, а функция (L(x, lambda)) называется функцией Лагранжа.

Будем говорить, что ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа, если
$$
begin{array}{cc}
& displaystylefrac{partial L}{partial x_{1}} (x^{0}, lambda^{0}) = 0, ldots, frac{partial L}{partial x_{n}} (x^{0}, lambda^{0}) = 0\
&\
& displaystylefrac{partial L}{partial lambda_{1}} (x^{0}, lambda^{0}) = f_{1}(x^{0}) = 0, ldots, frac{partial L}{partial lambda_{m}} (x^{0}, lambda^{0}) = f_{m}(x^{0}) = 0.
end{array}label{ref2}
$$

Теорема 1.

(Теорема Лагранжа).

Пусть (x^{0}) — точка условного экстремума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}, и пусть функции (f_{i}(x)), (i = overline{0, m}), непрерывно дифференцируемы в окрестности точки (x^{0}), причем в точке (x^{0}) ранг матрицы Якоби
$$
A = begin{pmatrix}displaystylefrac{partial f_{1}}{partial x_{1}}(x)&ldots&displaystylefrac{partial f_{1}}{partial x_{n}}(x)\………&…..&…….\displaystylefrac{partial f_{m}}{partial x_{1}}(x)&ldots&displaystylefrac{partial f_{m}}{partial x_{n}}(x)end{pmatrix}label{ref3}
$$
равен (m).

Тогда найдутся такие множители Лагранжа (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}), что ((x^0, lambda^0)) будет стационарной точкой функции Лагранжа.

Доказательство.

(circ) Так как (m < n), а ранг матрицы Якоби в точке (x^{0}) равен (m), то хотя бы один из миноров этой матрицы порядка (m) отличен от нуля.

Без ограничения общности можно считать, что
$$
begin{vmatrix}displaystylefrac{partial f_{1}}{partial x_{1}}(x^{0})&ldots&displaystylefrac{partial f_{1}}{partial x_{m}}(x^{0})\………&…..&…….\displaystylefrac{partial f_{m}}{partial x_{1}}(x^{0})&ldots&displaystylefrac{partial f_{m}}{partial x_{m}}(x^{0})end{vmatrix} neq 0,label{ref4}
$$
так как выполнения условия eqref{ref4} всегда можно добиться, перенумеровывая переменные и уравнения связей в нужном порядке.

Пусть (x^{0}) есть точка условного минимума функции (f_{0}(x)). Тогда существует окрестность (K'(x^{0}) = K’_{1}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0}) times K’_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) такая, что
$$
f_{0}(x)-f_{0}(x^{0}) geq 0 mbox{при всех} x in E cap K’ (x^{0}).label{ref5}
$$

В силу непрерывности частных производных и выполнения условия eqref{ref4} можно применить теорему о неявных функциях. В силу этой теоремы найдется такая окрестность
$$
K(x^{0}) = K_{1}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0}) times K_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) subset K'(x^{0}),nonumber
$$
в которой система уравнений связей eqref{ref1} определяет переменные (x_{1}, ldots, x_{m}) как неявные функции переменных (x_{m+1}, ldots, x_{m}). Это означает, что найдется единственный набор непрерывно дифференцируемых в окрестности (K’_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) функций (varphi_{i}(x_{m+1}, ldots, x_{n})), (i = overline{1, m}), таких, что
$$
varphi_{i}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{m}^{0}) = x_{i}^{0}, i = overline{1, m};label{ref6}
$$
$$
f_{i}(varphi_{1}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), ldots, varphi_{m}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), x_{m+1}, ldots, x_{n}) equiv 0,label{ref7}
$$
$$
(varphi_{1}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), ldots, varphi_{m}(x_{m+1}, ldots, x_{n})) in K_{1}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0})nonumber
$$
при ((x_{m+1}, ldots, x_{n}) in K_{2}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0})), (i = overline{1, m}).

Другими словами, множество (E cap K(x^{0})) можно задать следующим образом:
$$
begin{array}{cc}
& E cap K(x^{0}) = {x: x = (x_{1}, ldots, x_{n}), (x_{m+1}, ldots, x_{n}) in K_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}),\
& \
& x_{i} = varphi_{i}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), i = overline{1, m}}.
end{array}label{ref8}
$$

Так как (K(x^{0}) subset K'(x^{0})), то из неравенства eqref{ref5} следует, что функция (f_{0}(x)) принимает на множестве (E cap K(x^{0})) наименьшее значение в точке (x^{0}). Если взять представление множества (E cap K(x^{0})) в виде eqref{ref8}, то сложная функция
$$
F(x_{m+1}, ldots, x_{n}) = f_{0}(varphi_{1}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), ldots, varphi_{m}(x_{m+1}, ldots, x_{n}), x_{m+1}, ldots, x_{n})label{ref9}
$$
определена в окрестности (K_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) и принимает в этой окрестности наименьшее значение в точке ((x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})). Следовательно, в силу необходимых условий экстремума должно выполняться равенство (dF(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) = 0). Воспользовавшись инвариантностью формы первого дифференциала и равенством eqref{ref9}, получаем, что
$$
sum_{k=1}^{n} frac{partial f_{0}(x^{0})}{partial x_{k}} dx_{k} = 0.label{ref10}
$$

В равенстве eqref{ref10} (dx_{m+1}, ldots, dx_{n}) есть дифференциалы независимых переменных, a (dx_{1}, ldots, dx_{n}) — дифференциалы функций (varphi_{i}, ldots, varphi_{m}), зависящих от (x_{m+1}, ldots, x_{n}). Для краткости будем говорить о независимых и зависимых дифференциалах.

Найдем связи между зависимыми и независимыми дифференциалами. Дифференцируя тождества eqref{ref7} в точке ((x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) и пользуясь инвариантностью формы первого дифференциала, получаем
$$
sum_{k=1}^{n} frac{partial f_{i}(x^{0})}{partial x_{k}} dx_{k} = 0, i = overline{1, m}.label{ref11}
$$

Умножая равенства eqref{ref11} на множители (lambda_{i}) и складывая полученные равенства с равенством eqref{ref10}, находим
$$
0 = sum_{k=1}^{n} left(frac{partial f_{0}}{partial x_{k}}+sum_{i=1}^{m} frac{partial f_{i}}{partial x_{k}} lambda_{i}right)_{x = x^{0}} dx_{k} = sum_{k=1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda)}{partial x_{k}} dx_{k},label{ref12}
$$
где (L(x^{0}, lambda)) есть функция Лагранжа.

Подберем множители (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}) так, чтобы коэффициенты при зависимых дифференциалах в равенстве eqref{ref12} обратились в нуль, то есть
$$
frac{partial L(x^{0}, lambda)}{partial x_{k}} = frac{partial f_{0}(x^{0})}{partial x_{k}}+sum_{i=1}^{m} lambda_{i}^{0} frac{partial f_{i}(x^0)}{partial x_{k}} = 0, k = overline{1, m}.label{ref13}
$$
Система уравнений eqref{ref13} единственным образом определяет множители (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}), так как ее определитель eqref{ref4} отличен от нуля.

При выполнении условий eqref{ref13} уравнение eqref{ref12} примет вид
$$
sum_{k=m+1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} dx_{k} = 0.label{ref14}
$$

Так как дифференциалы независимых переменных (dx_{m+1}, ldots, dx_{n}), могут принимать любые значения, то из eqref{ref14} следует, что
$$
frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} = 0, k = m+1, ldots, n.label{ref15}
$$

Объединяя равенства eqref{ref13} и eqref{ref15}, получаем
$$
frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} = 0, k = overline{1, n}.nonumber
$$

Так как точка (x^{0} in E) и, следовательно, удовлетворяет уравнениям связей, то
$$
frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial lambda_{j}} = f_{i}(x^{0}) = 0, j = overline{1, m}.nonumber
$$
Таким образом, ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа (L(x, lambda)). (bullet)

Второй дифференциал функции Лагранжа, вычисленный при фиксированных (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}) по переменным ((x_{1}, ldots, x_{n})) в точке ((x_{1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})), будем обозначать через (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})).

Таким образом,
$$
d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) = sum_{k=1}^{n} sum_{j=1}^{n} frac{partial^{2} L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k} partial x_{j}} dx_{k} dx_{j}.label{ref16}
$$
Иногда вместо (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})) будем писать (d^{2}L(x^{0}, lambda^{0})).

Обозначим через (E_{T}) следующее линейное многообразие в (boldsymbol{R}^{n}):
$$
E_{T} = left{xi = (xi_{1}, ldots, xi_{n}) in boldsymbol{R}^{n}: sum_{k=1}^{n} frac{partial f_{i}(x^{0})}{partial x_{k}} xi_{k} = 0, i = overline{1, m}right}.label{ref17}
$$
Равенства eqref{ref11} означают, что (dx = (dx_{1}, ldots, dx_{n}) in E_{T}).

Теорема 2.

Пусть (x^{0}) есть точка условного минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}, и пусть функции (f_{i}(x)), (i = overline{1, m}), имеют непрерывные частные производные второго порядка в окрестности точки (x^{0}), причем в точке (x^{0}) ранг функциональной матрицы eqref{ref3} равен (m).

Тогда найдутся множители Лагранжа (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}) такие, что ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа, a (d^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) geq 0) при ((dx_{1}, ldots, dx_{n}) in E_{T}).

Доказательство.

(circ) Так как выполнены все условия теоремы 1, то найдутся множители Лагранжа (lambda_{1}^{0}, ldots, lambda_{m}^{0}) такие, что ((x^{0}, lambda^{0})) будет стационарной точкой функции Лагранжа, то есть выполняются условия eqref{ref2}. Повторяя рассуждения теоремы 1, рассмотрим сложную функцию eqref{ref9}, имеющую безусловный экстремум в точке ((x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})). Так как эта функция имеет непрерывные частные производные второго порядка, то, в силу теоремы о необходимом условии минимума должно быть выполнено условие (d^{2}F(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) geq 0).

Воспользовавшись правилом нахождения второго дифференциала сложной функции и формулой eqref{ref9}, находим, что
$$
sum_{k=1}^{n} sum_{j=1}^{n} frac{partial^{2} f_{0}(x^{0})}{partial x_{k} partial x_{j}} dx_{k} dx_{j}+sum_{k=1}^{n} frac{partial^{2} f_{0}}{partial x_{k}}(x^{0}) d^{2}x_{k} geq 0.label{ref18}
$$

Дифференцируя два раза в точке (x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) тождества eqref{ref7}, получаем равенства
$$
sum_{k=1}^{n} sum_{j=1}^{n} frac{partial^{2} f_{i}(x^{0})}{partial x_{k} partial x_{j}} dx_{k} dx_{j}+sum_{k=1}^{n} frac{partial^{2} f_{i}}{partial x_{k}}(x^{0}) d^{2}x_{k} = 0.label{ref19}
$$

Если умножить каждое из равенств eqref{ref19} на соответствующий множитель Лагранжа (lambda_{i}^{0}) и сложить с неравенством eqref{ref18}, то получаем неравенство
$$
d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})+sum_{k=1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} d^{2}x_{k} geq 0.label{ref20}
$$
Последняя сумма в неравенстве eqref{ref20} равна нулю, так как ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа и в ней выполняются условия eqref{ref2}. Таким образом, (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) geq 0) при ((dx_{1}, ldots, dx_{n}) in E_{T}). (bullet)

Теорема 3.

(Достаточные условия условного экстремума).

Пусть функции (f_{i}(x)), (i = overline{0, m}), имеют непрерывные частные производные второго порядка в окрестности точки (x^{0} in boldsymbol{R}^{n}), причем в точке (x^{0}) ранг функциональной матрицы (3) равен (m), и пусть ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа (L(x, lambda)).

Тогда если (d_{xx}L(x^{0}, lambda^{0})) есть положительно определенная квадратичная форма при (dx in E_{T}), то (x^{0}) является точкой условного строгого минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}. Если (d_{xx}L(x^{0}, lambda^{0})) есть отрицательно определенная квадратичная форма при (dx in E_{T}), то (x^{0}) — точка условного строгого максимума. Если (d_{xx}L(x^{0}, lambda^{0})) есть неопределенная квадратичная форма при (dx in E_{T}), то (x^{0}) не есть точна условного экстремума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}.

Доказательство.

(circ) Пусть
$$
E = {x: f_{i}(x) = 0, i = overline{1, m}}.label{ref21}
$$
По условию теоремы функции (f_{i}(x)), (i = overline{0, m}), имеют непрерывные частные производные второго порядка, а ранг функциональной матрицы eqref{ref3} равен (m). Повторяя рассуждения теоремы 1, можем без ограничения общности считать, что выполнено условие eqref{ref4} и что найдется такая окрестность (K(x^{0}) = K_{1}(x_{1}^{0}, ldots, x_{m}^{0}) times K_{2}(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})), что множество (E cap K(x^{0})) можно задать формулой eqref{ref8}. На (E cap K(x^{0})) функция (f_{0}(x)) становится функцией (n-m) переменных (F(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})), определенной формулой eqref{ref9} и имеющей непрерывные частные производные второго порядка.

По условию теоремы ((x^{0}, lambda^{0})) есть стационарная точка функции Лагранжа, то есть
$$
begin{array}{cc}
& displaystylefrac{partial L}{partial x_{k}} (x^{0}, lambda^{0}) = 0, k = overline{1, n};\
&\
& displaystylefrac{partial L}{partial lambda_{i}} (x^{0}, lambda^{0}) = f_{i}(x^{0}) = 0, i = overline{1, m}.
end{array}label{ref22}
$$

Из формул eqref{ref22} следует, что (x^{0} in E) и что
$$
d_{x}L(x^{0}, lambda^{0}) = sum_{k=1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} d^{2}x_{k} = 0.label{ref23}
$$

Рассмотрим функцию (L(x, lambda^{0})) на множестве (E cap K(x^{0})). Очевидно, что
$$
L(x, lambda^{0}) = f_{0}(x) = F(x_{m+1}, ldots, x_{n}) mbox{при} x in E cap K(x^{0}).label{ref24}
$$
В силу инвариантности формы первого дифференциала из формулы eqref{ref24} следует, что
$$
dF(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) = d_{x}L(x^{0}, lambda^{0}) = 0.label{ref25}
$$

Находя второй дифференциал от обеих частей равенства eqref{ref24} и используя равенства eqref{ref22}, получаем
$$
d^{2}F(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) = sum_{k=1}^{n} sum_{j=1}^{n} frac{partial^{2} L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{j} partial x_{k}} dx_{j} dx_{k}+sum_{k=1}^{n} frac{partial L(x^{0}, lambda^{0})}{partial x_{k}} d^{2}x_{k} = d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}).label{ref26}
$$

Пусть (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) > 0) при (dx in E_{T}), (dx neq 0). Так как множество (E cap K(x^{0})) можно задать в форме eqref{ref8}, то, выбирая (dx_{m+1}, ldots, dx_{n}) произвольным образом, получим, что дифференциалы (dx_{1},…, dx_{m}) зависят от ((dx_{m+1}, ldots, dx_{n})). Дифференцируя тождества eqref{ref7} в точке (x^{0}), получаем соотношения eqref{ref11}, которые означают, что (dx in E_{T}).

Из формулы eqref{ref26} тогда следует, что
$$
d^{2}F(x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0}) > 0 mbox{при} dx_{m+1}^{2}+ldots+dx_{n}^{2} > 0.label{ref27}
$$

Из eqref{ref25} и eqref{ref27} получаем, что ((x_{m+1}^{0}, ldots, x_{n}^{0})) есть точка строгого минимума функции (F(x_{m+1}, ldots, x_{n})), то есть (x^{0}) есть точка строгого минимума функции (f_{0}(x)) на множестве (E cap K(x^{0})). Таким образом, (x^{0}) есть точка строгого условного минимума функции (f_{0}(x)) при наличии связей eqref{ref1}.

Аналогично рассматривается случай, когда (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) < 0), (dx in E_{T}), (dx neq 0). Если же (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})) при (dx in E_{T}) есть неопределенная квадратичная форма, то не выполняется условие (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) geq 0) при (dx in E_{T}), являющееся, в силу теоремы 2, необходимым условием минимума. Поэтому (x^{0}) не есть точка условного минимума функции (f_{0}(x)) при связях eqref{ref1}. Аналогично доказывается, что (x^{0}) не может быть точкой условного минимума функции (-f_{0}(x)), а следовательно, и точкой условного максимума функции (f_{0}(x)) при связях eqref{ref1}. (bullet)

Замечание.

Если окажется, что (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})) есть положительно определенная квадратичная форма на всем пространстве (boldsymbol{R}^{n}), то (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0}) > 0) при (dx in E_{T}), (dx neq 0). Поэтому в этом случае в квадратичной форме (d_{xx}^{2}L(x^{0}, lambda^{0})) не нужно исключать зависимые дифференциалы.

Пример 1.

Найти экстремумы функции (x-2y+2z = u) и на сфере (x^{2}+y^{2}+z^{2} = 1).

Решение.

(vartriangle) Строим функцию Лагранжа
$$
L(x, y, z, lambda) = x-2y+2z+lambda(x^{2}+y^{2}+x^{2}-1)nonumber
$$
Стационарные точки функции Лагранжа находим, решая систему уравнений
$$
frac{partial L}{partial x} = 1+2lambda x = 0,quad frac{partial L}{partial y} = -2+2lambda y = 0,quad frac{partial L}{partial z} = 2+2lambda z = 0,nonumber
$$
$$
frac{partial L}{partial lambda} = x^{2}+y^{2}+z^{2}-1 = 0.nonumber
$$
Исключая из этой системы (x, y, z), получаем (displaystyleleft(frac{1}{2lambda}right)^{2}+left(frac{1}{lambda}right)^{2}+left(frac{1}{lambda}right)^{2}-1 = 0), откуда (lambda_{1} = displaystylefrac{3}{2}), (lambda_{2} = -displaystylefrac{3}{2}).

У функции Лагранжа есть две стационарные точки,
$$
M_{1} = left(-frac{1}{3}, frac{2}{3}, -frac{2}{3}, frac{3}{2}right)quad mbox{и}quad M_{2} = left(frac{1}{3}, -frac{2}{3}, frac{2}{3}, -frac{3}{2}right).nonumber
$$

Так как (d^{2}L(M_{1}) = 3(dx^{2}+dy^{2}+dz^{2}) > 0), a (d^{2}L(M_{2}) = -3(dx^{2}+dy^{2}+dz^{2}) < 0) при (dx^{2}+dy^{2}+dz^{2} > 0), тo (displaystyleleft(-frac{1}{3}, frac{2}{3}, -frac{2}{3}, frac{3}{2}right)) — точка условного минимума, a (displaystyleleft(frac{1}{3}, -frac{2}{3}, frac{2}{3}, -frac{3}{2}right)) — точка условного максимума функции (u = x-2y+2x) при наличии ограничения (x^{2}+y^{2}+z^{2}-1 = 0), Причем (u_{min} = -3), (u_{max} = 3). (blacktriangle)

Пример 2.

Найти условные экстремумы функции (f_{0}(x, y) = e^{axy}), (a neq 0), при наличии ограничения (f_{i}(x, y) = x^{3}+y^{3}+x+y-4 = 0).

Решение.

(vartriangle) Построим функцию Лагранжа:
$$
L(x, y) = e^{axy}+lambda(x^{3}+y^{3}+x+y-4).nonumber
$$
Стационарные точки функции Лагранжа определяются из системы уравнений
$$
begin{array}{cc}
& displaystylefrac{partial L}{partial x} = aye^{axy}+lambda(3x^{2}+1) = 0,\
&\
& displaystylefrac{partial L}{partial y} = axe^{axy}+lambda(3y^{2}+1) = 0,\
&\
& displaystylefrac{partial L}{partial lambda} = x^{3}+y^{3}+x+y-4 = 0.
end{array}label{ref28}
$$

Умножая первое уравнение на (x), а второе на (y) и вычитая, получаем
$$
lambda(3x^{3}-3y^{3}+x-y) = lambda(x-y)(3x^{2}+3xy+3y^{2}+1) = 0.label{ref29}
$$

Если (lambda = 0), то из первых двух уравнений eqref{ref28} получаем (x = y = 0). Но (x = y = 0) не удовлетворяет уравнению связи. Итак, (lambda neq 0), поэтому из eqref{ref29} следует, что (x = y) (второй сомножитель всегда положителен: (3(x^{2}+xy+y^{2})+1 > 0)). Подставляя (x = y) в уравнение связи, получаем (x^{3}+x = 2), (x = y = 1). Первое из уравнений eqref{ref28} дает при (x = y = 1) значение (lambda = -displaystylefrac{a}{4} e^{a}).

Итак, ((1, 1, -displaystylefrac{a}{4} e^{a})) есть единственная стационарная точка функции Лагранжа.

Так как
$$
d(e^{axy}) = a(x dy+y dx) e^{axy},nonumber
$$
$$
d^{2}(e^{axy}) = a^{2}(x dy+y dx)^{2} e^{axy}+2a dx dy e^{axy},nonumber
$$
$$
d^{2}(x^{3}+y^{3}+x+y-4) = 6x dx^{2}+6y dy^{2},nonumber
$$
то для второго дифференциала функции Лагранжа при (lambda_{0} = -displaystylefrac{a}{4} e^{a}) и (x = y = 1) получается следующее выражение:
$$
d^{2}L(1, 1, lambda_{0}) = ae^{a}left[a(dx+dy)^{2}+2 dx dy-frac{3}{2}(dx^{2}+dy^{2})right].label{ref30}
$$
Дифференцируя уравнение связи при (x = y = 1), получаем, что (dy+dx = 0). Подставляя (dy = -dx) в уравнение eqref{ref30}, получаем равенство
$$
d^{2}L(1, 1, lambda_{0}) = -5ae^{a}dx^{2}.label{ref31}
$$

Поэтому при (a < 0) в точке (1,1) будет условный минимум, а при (a > 0) — условный максимум функции (f_{0}(x, y)) при наличии связи (x^{3}+y^{3}+x+y = 4), причем экстремальное значение функции равно (e^{a}). (blacktriangle)

Замечание.

Уравнение связи (x^{3}+y^{3}+x+y = 4) было бы затруднительно разрешить относительно одной из переменных. Метод Лагранжа для примера 2 более эффективен, чем прямой метод исключения зависимых переменных.

Несколько замечаний о методе множителей Лагранжа.

Задачи об отыскании экстремумов функций (как числовых, так и функций более общей природы) при наличии ограничений являются весьма распространенными. Теория экстремальных задач интенсивно развивается и находит широкий круг приложений. Здесь были рассмотрены ограничения типа равенств, задаваемые достаточно гладкими функциями (гладкие связи). Метод множителей Лагранжа имеет глубокие обобщения и на более общий случай, когда ограничения задаются системой равенств и неравенств при помощи недифференцируемых в обычном смысле функций.

В конкретных прикладных вопросах множители Лагранжа имеют содержательную интерпретацию. Так, в механике множители Лагранжа задают реакции связей, а в математической экономике — цены на продукты производства. Широко развиты приближенные методы решения экстремальных задач, использующие современную вычислительную технику.

Источник

Теорема Лагранжа

ТЕОРЕМА

Если функция (
y=f(x)
) непрерывна на отрезке (
[mathrm{a}, mathrm{b}]
), а также дифференцируема на интервале (
(mathrm{a}, mathrm{b})
), то на интервале (
(mathrm{a}, mathrm{b})
) найдется хотя бы одна точка c, для которой будет справедливо равенство:

(
frac{f(b)-f(a)}{b-a}=f^{prime}(c)
)

Геометрический смысл теоремы Лагранжа

На графике функции (
mathrm{y}=mathrm{f}(mathrm{x})
) найдется точка, касательная к которой параллельна отрезку, соединяющему точки графика с абсциссами (
mathrm{a}
) и (
b
) (рис. 1).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Учитывая, что функция (
f(x)=-x^{2}+2 x
)удовлетворяет условиям теоремы Лагранжа на промежутке (
[1,3]
), найти точку (
c in(1,3)
), в которой

(
f^{prime}(c)=frac{f(3)-f(1)}{2}
)

Решение

Вычислим значение заданной функции на концах отрезка (
[1,3]
). Получим

(
f(1)=-1^{2}+2 cdot 1=1
), (
f(3)=-3^{2}+2 cdot 3=-3
)

Тогда

(
frac{f(3)-f(1)}{2}=frac{-3-1}{2}=-2
)

Таким образом (
f^{prime}(c)=-2
). Найдем производную заданной функции (
f^{prime}(x)=-2 x+2
) . В точке (
mathbf{X}
) производная равна

(
f^{prime}(c)=-2 c+2=-2
)

Получили уравнение относительно (
mathrm{c}
). Решая его, получим, что (
mathrm{c}=2
). Эта точка принадлежит заданному интервалу (
(1,3)
).

Ответ: (
mathrm{c}=2
)

ПРИМЕР 2

Задание

На дуге кривой (
f(x)=x^{3}-x
) между точками (
A(-2,-6)
) и (
mathrm{B}(1,0)
)найти точку (
C(c, f(c))
), касательная в которой параллельна хорде (
mathrm{AB}
).

Решение

Согласно геометрическому смыслу теоремы Лагранжа, абсцисса точки (
mathrm{C}
) удовлетворяет условию:

(
frac{f(b)-f(a)}{b-a}=f^{prime}(c)
)

Найдем значение правой части этого равенства:

(
frac{0-(-6)}{1-(-2)}=2
)

Тогда (
f^{prime}(c)=2
) .Вычислим производную заданной функции (
f^{prime}(x)=3 x^{2}-1
). В точке (
C(c, f(c))
), она будет иметь значение

(
f^{prime}(c)=3 c^{2}-1=2
)

Решая полученное уравнение относительно c, имеем

(
3 c^{2}=3 Rightarrow c^{2}=1 Rightarrow c=pm 1
)

По условию теоремы Лагранжа (
c in(-2,1)
), таким образом, подходит значение (
c=-1
). Найдем ординату точки (
mathrm{C}
)

(
f(c)=(-1)^{3}-(-1)=0
)

Ответ:(
mathrm{C}(2,0)
)