Shartli ekstremum. Lagranj ko’paytuvchilari usuli. Birinchi qism
Download 1.2 Mb. Pdf ko'rish
|
24 мавзу1
- Bu sahifa navigatsiya:
- Ikki ozgaruvchili funksiya shartli ekstremum masalasi uchun lagranj ko’paytuvchilari usuli.
- Ikki ozgaruvchili funktsiyani shartli ekstremumini aniqlash algoritmi.
- Birinchi usul (Lagranj ko’paytuvchilari usuli)
- Ikkinchi usul.
- Javob: (2; 1) nuqtada, funktsiya shartli maksimal, z max = 6. n ozgaruvchili funktsiya uchun Lagranj ko’paytuvchilari usuli
- L matritsada qizil rang bilan belgilab qo’yilgan matritsaning determinanti Lagranj funktsiyasining Gessianidir.
Shartli ekstremum. Lagranj ko’paytuvchilari usuli. Birinchi qism. Avval, ikki o'zgaruvchili funktsiya holida ko'rib chiqamiz. Ta’rif 1. Z=f(x,y) funktsiyasining M 0 (x 0 ;y 0 ) nuqtadagi shartli ekstremumi deb, shu berilgan nuqtaning biror atrofidagi (x;y) nuqtalari ( )
0
cheklov tenglamasini qanoatlantirishi sharti bilan shu M 0 nuqtada erishilgan funksiyaning ekstremumiga aytiladi .
Agar cheklov tenglamasida bitta o'zgaruvchini boshqasi orqali ifodalash mumkin bo'lsa, unda shartli ekstremumni aniqlash masalasi bir o'zgaruvchili funktsiyaning ekstremum masalasiga keltiriladi. Masalan, agar cheklov tenglamasidan y=ψ(x) kelib chiqsa, u holda y = ψ (x) ni z=f(x,y) ga keltirib qo’ysak, z=f(x,ψ(x)) bitta o'zgaruvchining funktsiyasini hosil qilamiz. Ammo bu usul ba’zi hollarda qiyinchiliklar tug’diradi, shuning uchun bu usulni har doim qo’llay olmaymiz. Shuning uchun yangi algoritmni kiritish talab etiladi.
, , ( ) 0 ) (
e Z f x y x x r y t
Lagranj ko’paytuvchilari usulida shartli ekstremumni topish uchun avval Lagranj funktsiyasini quriladi:
Lagranj ko’paytuvchisi deb ataladi). Ekstremumning zarururiy shartidan statsionar nuqtalar aniqlanadigan tenglamalar sistemasi tuziladi: 0 0
0 F x F y x y
Ekstremumni aniqlash uchun etarli sharti: 2 2 2 2
xy yy d F F dx F dxdy F dy
ikkinchi tartibli differensialning musbat yoki manfiy aniqlanganligiga bo’g’liq. Agar statsionar nuqtada 2 0 d F bo'lsa, unda ,
f x y funktsiyasi bu nuqtada shartli minimumga ega, agar 2 0 d F bo'lsa, shartli maksimumga ega bo'ladi. Ekstremumni aniqlashning yana bir usuli mavjud.
( , ) 0
cheklov tenglamasidan biz quyidagilarni olamiz:
, 0 ( ) x y dx d x y dy 2 2 2 2 0 xx xy yy x y d F F dx dx d F dxdy F dy y x y dx dy
2 2 2 2 2 2 2 ( ) 2 2 xx xy yy xx xy y x x y y x y y x y dx dx d F F dx F dx F dx F dx F F
Ikkinchi ko’paytuvchini (qavs ichida joylashgan) quyidagi shaklda ifodalanishi mumkin:
0 x y x y xx xy xy yy H F F F F Agar 0
2
0 d F
ga ega bo’lamiz. Xuddi shunday, 0
2
0 d F
shartli minimaliga ega bo’lamiz. Ba'zi bir mualliflar H determinantni boshqa shaklda yozadilar ("-" belgisi bilan): 0
Bunday vaziyatda yuqorida keltirilgan qoida quyidagicha o'zgaradi: agar 0 H bo'lsa, unda funktsiyaning shartli minimumi bo'ladi va 0 H uchun biz z = f (x, y) funktsiyaning shartli maksimal qiymatini olamiz. Masalalarni yechishda bunday nuanslarni hisobga olish kerak. Ikki o'zgaruvchili funktsiyani shartli ekstremumini aniqlash algoritmi. 1. Lagranj funktsiyasini tuzamiz. F(x,y)=f(x,y)+λφ(x,y)
2. 0 0 ( , ) 0 F x F y x y
3.Ekstremumning zarururiy shartidan topilgan har bir statsionar nuqtada ekstremumi topiladi. Buning uchun quyidagi usullardan biri qo'llaniladi:
2
d F ishorasi aniqlanadi. 1-misol x 2 + y 2 = 10 sharti ostida Z(x, y) = x + 3y funktsiyasining shartli ekstremumini toping. Cheklov tenglamasidan bir o'zgaruvchini boshqasi orqali ifodalash va uni z (x, y) = x + 3y funktsiyasiga keltirib qo’yish biroz qiyinchiliklarga olib keladi, shuning uchun biz Lagran ko’paytuvchilar usulidan foydalanamiz. 2
, 10
x y ni belgilab, Lagranj funktsiyasini tuzamiz: 2 2 , , ( ) ( ) ( ) 3 ( 10 , ) F x y f x y x y x y x y 1 2
3 2
x x F y y
Lagranj funktsiyasining statsionar nuqtalarini aniqlash uchun tenglamalar sistemasini tuzamiz: 2 2 1 2 0 3 2 0 10 0 x x y
Agar λ = 0 faraz qilsak, birinchi tenglama quyidagicha bo'ladi: 1 = 0. Olingan qarama-qarshilik λ ≠ 0 ekanligini bildiradi. λ ≠ 0 shart va birinchi va ikkinchi tenglamalardan:
1
x , 3 2 y . Olingan qiymatlarni uchinchi tenglamaga qo’yib, biz quyidagini olamiz: 2 2
2 1 1 1 3 2 10 0 4 1 2 2 . 2
1 1 1 1 1 1 1 3 1 ; 3; 2 2 2 x y
2 1 2 2 2 1 1 3 1 ; 3; 2 2 2
y
Shunday qilib, tizim ikkita echimga ega: 1 1 2
;x 1 = 1; y 1 = 3 va
2 1 2 ; x 2 =
−1; y 2 = −3. Endi har bir statsionar nuqtada ekstremaning turini aniqlaymiz: M 1 (1;3) va M 2 (−1; −3). Buning uchun biz har bir nuqtada determinantniH ni hisoblaymiz. 2 ;
0; 2 .
0 0 0 2 0 8 0 0 2 2 ; 2 ;
2 2 0 2 2
y x y x xx xy yy xx xy xy yy y F F F H F F x y x y x F F y x x y y
M1 (1; 3) nuqtada biz quyidagini olamiz: 0 1 8 0 40 0 2 1 0 2 1 3 1 3 H shuning uchun M 1 (1;3) nuqtada z (x, y) = x + 3y funktsiyasi shartli maksimalga ega, z max
= z(1;3) =10. Xuddi shunday, M2 (−1; −3) nuqtada ham topamiz: 1 3
0 1 8 0 0 40 0 2 0 1 0 2 1 3
H y x y
0 H . Demak M2 (−1; −3) nuqtada z(x,y) = x + 3y funktsiya shartli minimumiga ega, ya'ni: z min
= z (−1; −3) = - 10. M1 (1; 3) va M2 (−1; −3) statsionar nuqtalarida ekstrememum masalani H determinantda foydalanmasdan yechish mumkin. Har bir statsionar nuqtada d 2 F ishorasini aniqlaymiz: 2 ;
0; 2
xy yy F F F
2 2 2 2 2 2 2 ( )
xy yy d F F dx F dxdy F dy dx dy
Demak, bizda: dx 2 + dy 2 > 0, shuning uchun 1 1
uchun d 2 F <0 bo'ladi. Shuning uchun funktsiya M 1 (1; 3) nuqtada shartli maksimal qiymatga ega. Xuddi shunday, 2 1 2 uchun d 2 F >0 . Shuning uchun M 2 (−1; −3) nuqtada z (x, y) = x + 3y funktsiyasining shartli minimumini olamiz. E'tibor bering, bu misolda d 2 F ishorasinii aniqlash uchun dx va dy o'rtasidagi bog'liqlikni hisobga olishimiz shart emas, chunki d 2 F ning ishorasi ravshan. Javob: (−1; −3) nuqtada, funktsiya shartli minimal, z min
= −10. (1; 3) nuqtada funktsiya shartli maksimalga ega, z max = 10
Quyidagi misolda d 2 F belgisini aniqlash uchun dx va dy o'rtasidagi munosabatni hisobga olish kerak bo'ladi. 2– misol. x + y = 0 sharti bilan z (x, y) = 3y 3 + 4x
2 - xy funktsiyasining shartli ekstremumini toping.
,
x y x y ni belgilab, Lagranj funktsiyasini tuzamiz: 3 2 , , , ( ) ( ) 3 4 ( ) F x y f x y x y y x xy x y
2 8
9
x F y x y y x
2 8
0
0 9 x y y x x y
Tenglamalar sistemasini yechib: x 1 = 0, y
1 = 0, λ
1 = 0 va x 2 = 10/9, y 2 = −10/9, λ 2 =
−10 ni olamiz. Ikkita statsionar nuqta bor: M 1 (0;0) va M 2 (10/9; −10/9). Endi H determinantidan foydalanib, har bir statsionar nuqtada ekstremumning turini aniqlaymiz. 1; 1;
1 1 1 8; 1; 18 . 0 0 8 1 10 18
1 18 xx xy yy xx xy x x y x y x y y y y F F F y H F F y F F y
M 1 (0;0) nuqtada H = −10−18 ⋅0 = −10 <0, shuning uchun M 1 (0;0) funktsiyasining shartli minimal nuqtasi, z (x, y) = 3y 3 + 4x 2 - xy, z
min = 0 . . M 2
shartli maksimumga ega, z max
= 500/243. Biz d
2 F ning ishorasida qarab, har bir nuqtada ekstremum ikkinchi usul bilan aniqlaymiz: 2 2 2 2 2 2 8 2 18 xx xy yy d F F dx F dxdy F dy dx dxdy ydy
x + y = 0 cheklov tenglamasidan: d (x + y) = 0, dx + dy = 0, dy = −dx. 2 2 2 2 2 2 8 2 18 8 2 ( ) 18 (
) (10 18 )
d F dx dxdy ydy dx dx dx y y dx y dx 1 2 2 | 10 0 M d F dx , bo’lganidan M 1 (0;0) nuqta z(x, y) = 3y3 + 4x2 - xy funktsiyasining shartli minimal nuqtasidir. Xuddi shunday, 2 2
| 10 0 M d F dx
, ya'ni. M 2 (109;−109) - shartli maksimal nuqta. Ikkinchi usul. x + y = 0 cheklash tenglamasidan quyidagini olamiz: y = −x. y = −x ni z (x, y) = 3y 3 + 4x 2 - xy funktsiyasiga keltirib qo’ysak, x o'zgaruvchining funktsiysini olamiz.
Ushbu funktsiyani u(x) bilan
belgilaymiz: 3 2 3 2 ( ) ( , ) 3 4
( ) 3 ( 5 . )
z x x x x x x x x
topish masalasini bitr o'zgaruvchining funktsiyasi ekstremumini aniqlash masalasiga keltirdik. 2 2
1 1 2 2 2 9 10 ; 9 10 0 0; 0. 10 10 ; . 9 9 x u x x x x x y x x y x
M 1 (0; 0) va M 2 (10/9; −10/9) nuqtalar olingan. Bir o'zgaruvchili funktsiyalarni ekstremum masalalari differentsial hisob kursidan ma’lum. Har bir statsionar nuqtada u′′ xx ishorasini aniqlaymiz yoki topilgan nuqtalarda u′ x
hosilani ishorasini o'zgarishini tekshirib, birinchi usul bo'yicha echimdagi kabi bir xil
xulosaga kelamiz. Masalan,
ishorasini tekshiramizg: 1 2 18 10;
(M ) 10; (M )
10. xx xx xx u x u u
U′′xx (M 1 )> 0 bo'lganligi sababli, M 1 u(x) funktsiyasining minimal nuqtasi, va u min
= u(0)=0. u′′ xx (M 2 ) <0 bo'lgani uchun, M 2 u (x) funktsiyaning maksimal nuqtasi, va u max
= u(10/9) = 500/243. Berilgan cheklovda u(x) funktsiyasining qiymatlari z(x,y) funktsiyasining qiymatlari bilan mos keladi, ya'ni u(x) funktsiyasining topilgan ekstremumi z (x, y) funktsiyasining shartli ekstremumiga teng. Javob: (0; 0) nuqtada funktsiya shartli minimumga ega, z min = 0. (10/9; −10/9) nuqtada funktsiya shartli maksimumi, z max
= 500/243.
d 2 F ni ishorasini aniqlash orqali ekstremumi aniqlanadigan yana bir misolni ko'rib chiqamiz.
Agar x va y o'zgaruvchilar musbat va 2 2
1 0 8 2 x y cheklov tenglamasini qanoatlantirsa, z = 5xy - 4 funktsiyasining eng katta va eng kichik qiymatlarini toping. Yechish:Lagranj funktsiyasini tuzamiz: 2 2
4
1 8 2
y F xy . Lagranj funktsiyasining statsionar nuqtalarini toping: 5 ;
5 . 4 x y x F y F x y 2 2 5 0, 4 5 0,
1 0, 8 2 0, 0 x y x y x y x y
Barcha keyingi almashtirishlar x> 0; y> 0 ni hisobga olgan holda amalga oshiriladi (bu masalaning shartida ko'rsatilgan). Ikkinchi tenglamadan λ = −5x/y topilgan qiymatni birinchi tenglamaga qo’yamiz: 2 2 5 5
0, 4 0,
2 . 4
y y x x y y Uchinchi tenglamada x = 2y ni keltirib qo’ysak : 2 2 2 4
1 0, 1,
1. 8 2 y y y y bo'ladi. y = 1 bo'lgani uchun, x = 2, λ = −10. (2; 1) nuqtada ekstremumning tipi d 2 F ishorasiga asosan aniqlanadi. ; 5; . 4
xy yy F F F 2 2
1 0 8 2
y bo'lgani uchun: 2 2 2 2
1 0;
0;
0;
. 8 2 8 2 4 4 x y x y x xdx d d d dx ydy dy y bu erda x = 2, y = 1 statsionar nuqtaning koordinatalarini va λ = −10 parametrini qiymatlarida quyidagilarni hosil qilamiz: 2 2 2 2 2 2 5 ; 5; . 2 2 5 2 2 5 ( ) ( 10)( ) 10 2 2 2 xx xy xx xy yy dx F F dy dx dx d F F dx F dxdy F dy dx dx dx
Ammo ba’zi shartli ekstremum masalalarda statsionar nuqtalar bir nechta bo'lishi mumkin. Bunday hollarda, d 2 F-ni umumiy shaklda yozib, keyin topilgan statsionar nuqtalarning har birining koordinatalarini natijaviy ifodaga keltirib qo’yish yaxshiroqdir: 2 2
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ; 5; , 4 2 5 2 5
( ) 4 4 4 4 2 16 5 10 5 2
( 10) 2 10 4 2 16 4 2 1 16 1
xx xy yy dx F F F dy xdx xdx x dx d F dx dx dx dx y y y y x x dx dx dx y y
d 2 F = −10⋅dx 2 <0 bo'lganligi sababli (2; 1) nuqta z = 5xy - 4, z max = 10−4 = 6 funktsiyaning shartli maksimal nuqtasi. Javob: (2; 1) nuqtada, funktsiya shartli maksimal, z max = 6. n o'zgaruvchili funktsiya uchun Lagranj ko’paytuvchilari usuli z = f (x
1 , x
2 , ..., x
n ) n o'zgaruvchili funktsiya berilgan bo’lsin va cheklov m ta tenglamalardan iborat bo’lsin (n> m): 1 1 2 2 1 2 1 2 , ,...,
0; , ,..., 0, ..., , ,..., 0. n n m n x x x x x x x x x
Lagranj ko’paytuvchilarini λ 1 , λ
2 , ..., λ
m deb belgilab, biz Lagranj funktsiyasini tuzamiz: F (x
1 , x
2 , ..., x
n , λ
1 , λ
2 , ..., λ
m ) = f + λ 1 φ
+ λ 2 φ 2 + ... + λ m φ
Shartli ekstremumning mavjud bo'lishi uchun zaruriy shartlardan tenglamalar sistemasini tuziladi va bu sistemani yechib statsionar nuqtalar koordinatalari va Lagranj ko'paytirgichlarining qiymatlarini topiladi: 1 2 1 2 ( ,
,... ) 0; 1, 2,..., , ( , ,... )
0; 1, 2,..., . n i j n F x x x i n x x x x j m
L matritsada qizil rang bilan belgilab qo’yilgan matritsaning determinanti Lagranj funktsiyasining Gessianidir. 2 2 2 2 2 1 1 2 1 3 1 2 2 2 2 2 2 1 2 2 3 2 2 2 2 2 2 3 1 3 2 3 3 2 2 2 2 2 1 2 3 ... ...
... ...
... ...
... ...
... n n n n n n n F F F F x x x x x x x F F F F x x x x x x x F F F F x x x x x x x F F F F x x x x x x x
Biz quyidagi qoidadan foydalanamiz: Agar L matritsaning burchak H 2m + 1
, H 2m + 2
, ..., H m + n
minorlarning ishoralari (−1)
m ning ishorasi bilan bir hil bo’lsa, u holda izlanayotgan statsionar nuqta
2 3 , , ,...,
n z f x x x x funktsiyasining shartli minimal nuqtasidir. Agar burchak H 2m + 1
, H 2m + 2
, ..., H m + n
minorlarining ishoralari navbati bilan o'zgarsa va kichik H 2m + 1 belgisi (−1) m + 1 sonining ishorasiga to'g'ri kelsa, u holda izlanayotgan statsionar nuqta 1 2 3 , , ,..., n z f x x x x funktsiyasining shartli maksimal nuqtasidir. Find the dimensions of the box with largest volume if the total surface area is 64 cm 2
1- To’la sirtining yuzi 64 sm 2 bo'lgan, eng katta hajmli qutining o'lchamlarini toping. Qutining asosining tomonlari x va y ga, qutining balandligi z bo'lsin. Shuni e’tiborga olish kerakki, biz qutining o'lchamlari bilan ishlayotganimiz sababli, x, y va z barcha musbat miqdorlar ekanligiga ishonch hosil qilishimiz mumkin. Berilgan shartga ko’ra eng katta hajm ( , , )
f x y z xyz ni topishni kerak va shuning uchun biz optimallashtirmoqchi bo'lgan funktsiya quyidagicha bo’ladi: Qutining sirtining yuzasi o’zgarmas ekanligini bilamiz. Shunday qilib, bu cheklov. Qutining sirt sirtining yuzasi unining yoqlarini yuzalarining yig'indisi 2 2 2 64
xz yx , shuning uchun cheklov quyidagicha: ( , , ) 32
xy xz yx
( , , ) 32 0 f x y z xyz extr xy xz yx
Yechish:Lagranj funktsiyasini tuzamiz: (
32) 0 xy x F yz z x x y . Lagranj funktsiyasining statsionar nuqtalarini toping: ( ), ( ), ( ) x y z F yz y z F xz x z F xy y x
( ) 0, ( 32 0 ) 0, ( ) 0
y z xz x z xy xz yx xy y x
Biz uni quyidagicha yechamiz. (1) tenglamani x ga, (2) ni y ga va (3) ni z ga ko'paytiramiz. ( ) 0, ( ) 0, ( ) 0. xyz x y z xzy y x z xyz z y x Birnchi va ikkinchu tenglamalarni tenglashtirib quyidagini hosil qilamiz: ( ) ( )
z y x z ( ) 0 xz yz
0 yoki zx zy
Ikki holatni qaraymiz. 1) 0 bo’lsin. Bunda ikki holatni qaraymiz. 0 0
zy z yoki y
z va x lar bu yerda qutining o’lchamlari , ularning 0 ga teng bo’lishi mumkin emas. Shuning uchun λ = 0 holni hisobga olmaymiz.
Bu ikkinchi holatni bajarilishiga olib keladi.
( ) 0, 0 z x y z x y
Xuddi shu yo’l bilan ( ) 0, 0 x z y x z y ni hosil qilamiz. Demak, 2
2 32
x y z x y
2 32 3 32 3
x
32 3 z x y
( , , )
( , 32 3 , 2 ) 3 3
f x y z 2-misol.
2 2 2 , 8 ) 2 1 (
x y extr x y
rasmlardan f (x, y) ning minimal qiymati -2 ekanligi va bu qiymatga nuqtada (0,1) nuqtada erishilganligi va f (x, y) ning maksimal qiymati 8,125 ekanligi va bu qiymatga nuqtada 3 7
1 , 8 8 nuqtada erishilganligi ko’rsatilgan.
Maslani yechishdan oldin oldin eslatib o'tamiz, cheklov tenglamasidan x ning qabul qilishi mumkin bo’lgan qiymatlari 2 2 2 2 2 2 4 9 4 4 9 3 3 4 9 2 2 x y x x y x x
3 3 , 2 2
oraliqda bo’ladi. Xuddi shunga o’xshash y ning qabul qilishi mumkin bo’lgan qiymatlari 2 2
2 2 2 4 9 4 9 9 3 3 x y y x y y x
3,3
oraliqda bo’ladi. 1 3
( , ) : , 0 2 2
x y
to’plamda 2 2 ( , ) 81 f x y x y funksiyaning eng katta qiymati
1 ( , )
3 729
max ( , )
( ,0)
2 4
f x y f
va eng kichik qiymati 1 ( , ) min ( , )
(0,0) 0
f x y f ga teng.
( , ) : 0, 3
3 x y x x
to’plamda 2 2
81 f x y x y funksiyaning eng katta qiymati
2 ( , )
max ( , )
(0, 3) 9
f x y f
va eng kichik qiymati 2 ( , ) min ( , )
(0,0) 0
f x y f ga teng. 1
da (0,3)
va (0, 3)
nuqtalarda 0 0
0 0 4 0 6 0 6 x y x y xx xy xy yy H F F F F
0 170 0 36 170
036 1 0 6 0 6 70 0 0 4 minimum qiymatga erishadi
2 ( , ) : 4 9
Download 1.2 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: |
ma'muriyatiga murojaat qiling