拉格朗日乘数法

拉格朗日乘数法

通常我们求函数极值的时候，通常我们会求导，并求出导函数等于\(0\)时变量的取值，例如求一下函数的极值：

\[f(x)=x^2+x \]

求导得：

\[f'(x)=2x+1 \]

使\(f'(x)=0\)

\[f'(x)=2x+1=0 \]

\[x=-\frac{1}{2} \]

所以当\(x=-\frac{1}{2}\)时，\(f(x)\)有最值。

但如果在约束条件下求最值呢？

例如在双曲线\(xy=3\)上找出距离原点最近的点。
目标函数为\(f(x, y)=\sqrt {x^2+y^2}\)，约束条件为\(g(x, y)=xy=3\)
注意：这两个函数的变量之间是不独立的，也就是说他们之间存在某种关系，从而限制了各变量的取值，例如这里的函数\(g=3\)就限制了各变量的取值
我们现在要求\(f\)的最小值，因为\(x^2+y^2\)恒非负，所以我们可以求\(f(x, y)=x^2+y^2\)的最小值。

当\(f\)取不同的值时，与\(g\)会有不同的交点，或者没有交点。当\(f\)与\(g\)相切时，\(f\)就能取最小值。看其中一个交点

因为\(f\)与\(g\)相切，所以他们的法向量是互相平行的，在这些法向量中，其中一个就是函数在该点的梯度。在这里，蓝色为\(f\)在该点的梯度，红色为\(g\)在该点的梯度。

\[\because \triangledown f \parallel \triangledown g \]

\[\therefore \triangledown f= \lambda \triangledown g \]

\[\therefore \frac{\partial f}{\partial x}=\lambda \frac{\partial g}{\partial x} \]

\[\frac{\partial f}{\partial y}=\lambda \frac{\partial g}{\partial y} \]

即

\[2x=\lambda y \]

\[2y=\lambda x \]

结合约束条件\(xy=3\)
解得\((-\sqrt{3}, -\sqrt{3}),(\sqrt{3}, \sqrt{3})\)
(\(\lambda\)可以为负，只是这里正好\(\lambda\)为负是无解而已)

这种方法具有一般性吗？

证明：
举三个变量的例子。在\(g=c\)这一水平集上（我不知道为什么称为水平集，因为它并不水平，只是表示\(g=c\)这一曲面）的一动点\(P\)，当\(P\)保持横坐标不变时， \(\frac{\partial f}{\partial x}\)也是不变的，那么当\(\frac{\partial f}{\partial y}=0\)时， 该点就是这一曲线上的最值，如果我们把极值连成一曲线，再求导数（即\(\frac{\partial f}{\partial x}\)）为\(0\)的点，不就是曲面的极值吗？

当然，这里只是简单地讲了\(x,y\)两个方向，动点\(P\)在曲面运动时可以取无数个方向（就像零向量有无数个方向），这些方向都与曲面相切(切平面)，当\(P\)任一方向(\(\widehat{u}\))的偏导数都为\(0\)时，\(P\)就是我们要求的点。
即

\[\frac{df}{ds}|_{\widehat{u}}=0 \]

即

\[\triangledown f \cdot \widehat{u}=0 \]

所以

\[\triangledown f \perp g \]

又因

\[\triangledown g \perp g \]

所以

\[\because \triangledown f \parallel \triangledown g \]

证毕。

总结

目标函数为\(f\)，约束条件为\(g=c\),设\(L=f+\lambda g\)，\(\lambda\)为拉格朗日乘子，结合\(g=c\)求\(\triangledown L=0\)的解，即为满足约束条件的极值.

注意：拉格朗日乘数法只能求极值，不能精确到极小值或极大值（像求导求极值一样），所以要代入试验。上述例子\(f\)并没有极大值，所以算出来的一定是极小值

可能讲得不太好，有兴趣猛戳下面：
拉格朗日乘数法MIT公开课