Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Полшков Ю.Н. Курс лекций по ОММ.doc
Скачиваний:
16
Добавлен:
29.04.2019
Размер:
4.79 Mб
Скачать

Лекция 12. Метод множителей лагранжа

План

1. Метод множителей Лагранжа для задач нелинейного программирования двух переменных.

2. Практическая реализация метода множителей Лагранжа.

1. Рассмотрим задачу НЛП двух переменных

x1 и

x2 , все ограничения которой

являются равенствами и на знак неизвестных не налагается никаких условий,

т.е.

Z = F ( x1, x2 ) max (min) ; (1)

g1 ( x1, x2 ) = b1,

g2 ( x1, x2 ) = b2 ,

......................

gm ( x1, x2 ) = bm .

(2)

Модель (1)-(2) называют математической моделью классической зада- чи нелинейной оптимизации. Такие задачи решаются методом множителей Лагранжа. Алгоритм метода следующий.

1) Составить функцию Лагранжа

L( x1, x2 , λ1, λ2 ,..., λm ) = F ( x1, x2 ) + λ1[b1 g1 ( x1, x2 )] + λ2[b2 g2 ( x1, x2 )] + ... +

+λm [bm gm ( x1, x2 )] , (3)

где

λ1 , λ2 ,..., λm

– множители Лагранжа.

Смысл множителей Лагранжа такой же, как и двойственных оценок в

задачах линейного программирования. Т.е. λi

( i = 1, m ) показывают, на сколько

единиц изменится значение целевой функции в оптимальном решении, если

правая часть i -го ограничения bi

увеличится на одну единицу.

2) Найти частные производные первого порядка функции Лагранжа (3) по

всем неизвестным:

L , L , L , L

,..., L .

x1

x2

λ1

λ2

λm

3) Согласно необходимому условию экстремума, приравнять частные производные к нулю:

L

1

x

L

x

2

λ

L

1

L

λ2

= 0,

= 0,

= 0,

= 0,

............

λ

L

m

= 0.

Решить полученную систему уравнений и определить стационарные точки

функции Лагранжа:

Q ( x (1) , x (1) , λ (1) , λ (1) ,..., λ

(1) ) ,

(2) ( 2) (2) ( 2) (2)

1 1 2 1 2 m

( k ) ( k ) ( k ) ( k ) ( k )

Q2 ( x1

, x2

, λ1

, λ2

,..., λm

) ,…, Qk ( x1

, x2

, λ1

, λ2

,..., λm ) .

4) Для применения достаточных условий экстремума, следует найти ча-

стные производные второго порядка функции Лагранжа по переменным

x1 и

x2 :

2 L

A = ,

1

x 2

2 L

B = ,

x1x2

2 L A B

C = . Составить определитель =

2

x 2 B C

и вычис-

лить его значение в стационарных точках Q1 , Q2 ,…, Qk .

( j ) ( j ) ( j ) ( j ) ( j )

Если

(Q j ) > 0

( j = 1, k ), то точка

Q j ( x1

, x2

, λ1

, λ2

,..., λm

) является

точкой экстремума, причём при

A(Q j ) > 0

будет минимум, а при

A(Q j ) < 0

1 2

максимум. Ответ должен содержать оптимальный план

X * = ( x ( j ) ; x ( j ) )

и экс-

тремальное значение целевой функции исходной задачи (1)-(2), т.е.

Zmin(max) = Z ( X *) .

Если

(Q j ) < 0

( j = 1, k ), то экстремума в точке Q j

нет. Такая ситуация

может иметь место для всех точек Q j

( j = 1, k ). Тогда в ответе следует указать,

что задача нелинейного программирования решений не имеет.

Если же

(Q j ) = 0

( j = 1, k ), то экстремум в точке Q j

может существо-

вать, а может и не существовать. Такая ситуация может иметь место для всех

точек Q j

( j = 1, k ). Тогда в ответе следует указать, что вопрос о наличии опти-

мального плана остаётся открытым и задача требует дополнительных исследо-

ваний. Такие исследования трудоёмки и выходят за рамки учебной программы.

2. Продемонстрируем метод множителей Лагранжа на конкретном примере.

Пример 1. Решить задачу НЛП:

2 2

Z = x1

+ x2

+ 6 x2 5 min ,

x1 2

x1 x2 = 3,

+ x = 4.

Решение. Это классическая задача нелинейной оптимизации, поэтому

применим метод множителей Лагранжа.

1) Составим функцию Лагранжа:

2 2

L( x1, x2 , λ1, λ2 ) = x1

+ x2

+ 6 x2 5 + λ1[3 x1 x2 ] + λ2[4 x1 x2 ] .

2) Найдём частные производные:

L L L L

x1

= 2 x1 λ1 x2 λ2 ,

x2

= 2x2 + 6 λ1 x1 λ2 ,

λ1

= 3 x1 x2 ,

λ2

= 4 x1 x2 .

3) Проверяем необходимое условие экстремума:

2x1 λ1 x2 λ2 = 0,

2x2 + 6 λ1 x1 λ2 = 0,

2x1 λ1 x2 λ2 = 0,

2x2 λ1 x1 λ2 = 6,

(1) (1)

3 x1 x2 = 0,

1) x1

= 3, x2

= 1,

4 x1 x2 = 0.

2) x (2) = 1, x ( 2) = 3,

1 2

1) x (1) = 3, x (1) = 1, λ (1) = 1, λ (1) = 5,

1 2 1 2

2) x (2) = 1, x ( 2) = 3, λ (2) = 5, λ ( 2) = 17.

1 2 1 2

Получены стационарные точки Q1 (3;1;1;5)

и Q2 (1;3; 5;17) .

4) Проверяем выполнение достаточных условий экстремума. Найдём

2 L

A =

1

x 2

= 2 ,

2 L

B =

1

x1x2

= λ1 и

2 L

C =

2

x 2

= 2 . Получим определитель

A B

= =

B C

2

λ1

λ1

2

= 4 λ 2 .

Т.к.

(Q1 ) = 3 > 0 и

A(Q1 ) = 2 > 0 , то точка

Q1 (3;1;1;5)

является точкой ми-

нимума функции Лагранжа. Значит,

X * = (3;1)

и Zmin = 11.

Т.к.

(Q2 ) = 21 < 0 , то точка

Q2 (1;3; 5;17)

не является точкой экстрему-

ма функции Лагранжа.

Ответ:

X * = (3;1) ,

Zmin = 11.

Пример 2. Решить задачу НЛП:

4 4 2 2

Z = x1

+ x2

2x1

+ 4x1x2 2x2

min ,

x1 + x2 = 0 .

Решение. Это классическая задача нелинейной оптимизации, поэтому

применим метод множителей Лагранжа.

1) Составим функцию Лагранжа:

1 2

4 4 2 2

L( x1, x2 , λ1 ) = x1

+ x2

2x1

+ 4x1x2 2 x2

+ λ1[ x1 x2 ] .

2) Найдём частные производные:

L = 4x 3 4x

+ 4x

λ ,

L = 4x 3 + 4x

4x

λ ,

L = x

x .

x1

1 1 2 1

x2

2 1 2 1

λ1

3) Проверяем необходимое условие экстремума:

4x 3 4 x

+ 4x

λ = 0,

4x 3 + 4x

+ 4x

λ = 0,

8x 3 + 16x

= 0,

1 1 2 1

2 2 2 1 2 2

4x 3 + 4x

4x

λ = 0,

4x 3 4 x

4x

λ = 0,

4x 3 8x

λ = 0,

2 1 2 1

2 2 2 1

2 2 1

x x = 0.

1 2

x = x .

1 2

x = x .

1 2

8x

( x 2 2) = 0,

x (1) = 0, x ( 2) =

2 , x (3) = 2,

2 2

4x 3 8x

λ = 0,

2 2 2

λ (1) = 0, λ ( 2) = 0, λ (3) = 0, .

2 2 1

1 1 1

1 2

x = x .

x (1) = 0, x ( 2) =

2, x (3) = 2.

1 1 1

2

1 2 1 2

Получены стационарные точки Q1 (0; 0;0) , Q2 ( 2;

2; 0)

и Q3 (

2; 2; 0) .

2

4) Проверяем выполнение достаточных условий экстремума. Найдём

A =

L = 12 x 2 4 , B =

2 L

= 4 и C =

2 L

= 12 x 2 4 . Получим определитель

1

x 2 1

x1x2

x 2 2

1

A B

= =

B C

12 x 2 4 4

2

4 12 x 2 4

= 144x 2 x 2 48x 2 48x 2 .

Т.к.

(Q1 ) = 0 , то вопрос о наличии экстремума в точке

Q1 (0; 0;0)

остаётся

открытым и нужны дополнительные исследования.

Т.к.

(Q2 ) = 384 и

A(Q2 ) = 20 > 0 , то точка

Q2 ( 2;

2; 0)

является точ-

кой минимума функции Лагранжа. Значит,

X1* = ( 2;

2 ) и

Zmin = 8 .

Т.к.

(Q3 ) = 384 и

A(Q3 ) = 20 > 0 , то точка

Q3 (

2; 2; 0)

является точкой

минимума функции Лагранжа. Значит,

X 2 * = (

2; 2 ) и

Zmin = 8 .

Ответ:

X1* = ( 2;

2 ) ,

X 2 * = (

2; 2 ) ,

Zmin = 8 .