Пошукова робота на тему:
Умовний екстремум. Метод множників Лагранжа. Метод найменших квадратів.
П
лан
Умовний екстремум
Необхідні умови
Метод множників Лагранжа
Знаходження функції на основі експериментальних даних за методом найменших квадратів
1
. Умовний екстремум
У попередніх параграфах були розглянуті максимуми і мінімуми функції в припущенні, що ті змінні, від яких функція залежить, є незалежними. В цих випадках максимуми мінімуми називаються безумовними. Але у багатьох задачах потрібно знаходити екстремуми функції, аргументи якої задовольняють деяким додатковим умовам – зв’язку. В цих випадках аргументи функції не є незалежними. Екстремуми такого типу називаються умовними. Як приклад, наведемо задачу про знаходження екстремуму функції
за умови, що її аргументи задовольняють умові зв’язку
.
 У даній задачі екстремуми функції 
знаходять не на всій площині, а лише на прямій 
.
Нехай потрібно знайти максимуми і мінімуми функції
 
(6.89)
при
 
(6.90)
 За наявності умови (6.90) із двох змінних 
і 
незалежною буде лише одна, наприклад 
, оскільки 
визначається із рівності (6.90) як функція 
. Якщо із (6.90) знайти явну залежність 
від 
і підставити її в (6.89), то одержимо функцію однієї змінної 
, яку потрібно дослідити на екстремум. Але розв’язання рівняння (6.90) відносно однієї із змінних може бути важким або взагалі неможливим. Тому зупинимося на особливому методі розв’язання задачі на умовний екстремум – методі невизначених множників Лагранжа.
У точках екстремуму похідна 
має дорівнювати нулю. Враховуючи, що 
є функція від 
, знаходимо 
.
Отже, в точках екстремуму
 
. (6.91)
Із рівності (6.90) маємо
 
(6.92)
 Домножимо рівність (6.92) на невизначений множник 
і додамо її з рівністю (6.91), одержимо
.
або
 
(6.93)
 (6.93) перетворювалася на нуль: Рівність (6.93) виконується в усіх точках екстремуму. Доберемо множник 
так, щоб в точках екстремуму функції 
друга дужка у рівності
.
Тоді в точках екстремуму виконуються три рівняння:
 
(6.94)
з трьома невідомими 
. Із системи (6.94) визначаємо 
і 
, що відіграє лише допоміжну роль і в подальшому не потрібне.
Ліві частини рівнянь (6.94) є частинними похідними функції
,
яка називається функцією Лагранжа. Система (6.94) співпадає з умовами безумовного екстремуму функції 
.
Із виводу рівнянь (6.94) випливає, що вони є лише необхідними умовами умовного екстремуму.
 Зауваження.
Описаний метод поширюється на дослідження умовного екстремуму функції будь-якого числа змінних.
 Нехай потрібно знайти максимуми і мінімуми функції 
змінних
за умови, що змінні 
зв’язані 
рівняннями:
 
(6.95)
Складемо функцію Лагранжа
і прирівняємо до нуля її частинні похідні по 
:
 
(6.96)
 Із 
рівнянь (6.95) і (6.96) знаходимо координати критичних точок і допоміжних невідомих 
. Системи рівнянь (6.95) і (6.96) є необхідними умовами умовного екстремуму.
 Приклад.
За яких розмірів прямокутний паралелепіпед має найбільший об’єм, якщо його повна поверхня м
?
 Р о з в ’ я з о к. Нехай довжина сторін паралелепіпеда дорівнюють 
і 
. Його об’єм 
, а площа поверхні 
. Потрібно знайти найбільше значення функції 
за умови 
.
Складаємо функцію Лагранжа
і прирівнюємо до нуля її частинні похідні:
, 
,
, 
.
 Звідси знаходимо 
. Точка 
є критичною точкою функції 
. Оскільки поставлена задача має певний розв’язок, а критична точка лише одна, то в цій критичній точці буде екстремум.
 Шуканий паралелепіпед – куб із стороною 
.
2
. Знаходження функції на основі експериментальних даних
за методом найменших квадратів
У різних областях людської діяльності широке розповсюдження мають формули, одержані на основі обробки спостережень або експериментів. Такі формули називаються емпіричними.
 Нехай на основі експерименту потрібно встановити функціональну залежність величини 
від величини 
: 
.
 В результаті одержано 
значень функції при відповідних значеннях аргументів і результати записані так:
 Вид функції 
встановлюється або із теоретичних міркувань, або на основі аналізу графіка функції 
. Для цього слід побудувати в прямокутній декартовій системі координат точки, відповідні експериментальним значенням. Ці точки в дальшому будемо називати експериментальними. Якщо експериментальні точки розміщені на координатній площині так, як зображено на рис. 6.15, то доречно будувати залежність 
від 
у вигляді лінійної функції 
. Якщо експериментальні точки розміщені так, як показано на рис. 6.16, то функцію будемо шукати у вигляді 
.
 При вибраному вигляді функції 
залишається добрати параметри 
так, щоб вони якнайкраще і описували 
Рис.6.13 Рис.6.14
розглядуваний процес. Найпоширенішим методом розв’язання даної задачі є метод розв’язання даної задачі є метод найменших квадратів.
Нехай експериментальні точки групуються навколо прямої (див. рис. 6.13). Тоді
 
(6.97)
де 
і 
- параметри, які потрібно знайти.
Розглянемо експериментальну точку 
і точку 
з такою самою абсцисою, але яка лежить на прямій. Її координати 
. Різницю ординат цих точок 
 
, (6.98)
що являє собою відхилення точки 
від прямої 
, назвемо похибкою.
 Доберемо параметри 
і 
так, щоб сума квадратів похибок 
 
(6.99)
була найменшою.
Підставимо в (6.99) вирази помилок (6.98), одержимо
 
(6.100)
Тут 
і 
відомі величини, а 
і 
- невідомі, які потрібно знайти. Для того щоб функція 
мала найменше значення, необхідно 
виконати умови:
або
Перегрупувавши члени, подамо цю систему у вигляді
або
 
(6.101)
Ця система рівнянь називається нормальною системою методу найменших квадратів. Розв’язавши її, знаходимо 
і 
і підставляємо в емпіричну формулу 
.
Нехай тепер експериментальні точки розміщені поблизу деякої параболи (див. рис. 6.14). Тоді
 
(6.102)
 Для знаходження 
і 
використаємо метод найменших квадратів. Відхилення за ординатою експериментальних точок від відповідних точок параболи 
 
, (6.103)
 Доберемо параметри 
і 
так, щоб сума квадратів похибок 
(6.104)
була найменшою. Для цього необхідно виконання умов
Обчисливши частинні похідні, маємо систему рівнянь
Перегрупувавши доданки в кожному із рівнянь, одержимо нормальну систему рівнянь методу найменших квадратів для параболічної залежності:
 
(6.105)
 Із цієї системи знаходимо 
і 
і підставляємо їх в емпіричну формулу 
.