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設目標函數為 f(x,y,z)=x2+y2+z2,約束條件為 g(x,y,z)=y2−xz−16=0。
由拉格朗日乘子法:
∇f(x,y,z)=λ∇g(x,y,z)⟹⟨2x,2y,2z⟩=λ⟨−z,2y,−x⟩
分量列出方程組:
- 2x=−λz
- 2y=2λy⟹2y(1−λ)=0
- 2z=−λx
- y2−xz−16=0
由方程式 (2) 可知,必有兩種情況: λ=1 或 y=0。
情況一: λ=1
代入方程 (1) 與 (3) 中:
2x=−z,2z=−x⟹2(−2z)=−x⟹−4z=−x⟹x=4z
同時滿足 2x=−z⟹8z=−z⟹9z=0⟹z=0。
代回得 x=0。
將 x=0,z=0 代入約束條件 (4):
y2−0−16=0⟹y2=16⟹y=±4
此時我們得到兩個臨界點:
(0,4,0)與(0,−4,0)
其距離平方為 f(0,±4,0)=0+16+0=16。
情況二: y=0
代入約束條件 (4):
−xz−16=0⟹xz=−16
(這表示 x=0 且 z=0)
由方程 (1) 和 (3),因為 x,z=0,我們可以求出 λ:
λ=−z2x=−x2z⟹x2=z2
結合 xz=−16:
由於 x2=z2 且其乘積為負數,兩者必互為相反數,即 z=−x:
x(−x)=−16⟹x2=16⟹x=±4
- 當 x=4⟹z=−4。
- 當 x=−4⟹z=4。
此時我們得到另外兩個臨界點:
(4,0,−4)與(−4,0,4)
其距離平方為 f(±4,0,∓4)=16+0+16=32。
比較距離:
由於距離平方 16<32,所以距離最短的點為 (0,4,0) 和 (0,−4,0)。
故最接近原點的點為 (0,±4,0)。