РефератыАстрономияУмУмовний екстремум Метод множників Лагранжа Метод найменших квадратів

Умовний екстремум Метод множників Лагранжа Метод найменших квадратів

















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

ає площу
?


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
.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Умовний екстремум Метод множників Лагранжа Метод найменших квадратів

Слов:1077
Символов:8718
Размер:17.03 Кб.