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113 台大微積分(C) 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台大 / 微積分(C)

113學年度 · 113微積分(C) · 第 3 題

題目

Problem

3. Let aRa \in \mathbb{R} and f(x,y,z)f(x, y, z), g(x,y,z)g(x, y, z) be two smooth functions R3R\mathbb{R}^3 \to \mathbb{R}. Consider the optimization problem:

Maximize f(x,y,z) subject to g(x,y,z)=a.\text{Maximize } f(x, y, z) \text{ subject to } g(x, y, z) = a \,.

Suppose, for each aRa \in \mathbb{R}, it is known that (1) the maximum value fmax(a)f_{\max}(a) of f(x,y,z)f(x,y,z) is attained at r(a)=(x(a),y(a),z(a))\mathbf{r}(a) = (x^*(a), y^*(a), z^*(a)). i.e. fmax(a)=f(r(a))f_{\max}(a) = f(\mathbf{r}(a)); (2) there exists λ(a)R\lambda(a) \in \mathbb{R} such that f(r(a))=λ(a)g(r(a))\nabla f(\mathbf{r}(a)) = \lambda(a) \cdot \nabla g(\mathbf{r}(a)).

Answer the following questions.

(a) (10%) Prove that dfmaxda=λ(a)\displaystyle \frac{\mathrm{d}f_{\max}}{\mathrm{d}a} = \lambda(a).

(b) (10%) It is known that a differentiable function f(x,y,z)f(x,y,z), when restricted to the surface z=x3+y43xy2+1z = x^3 + y^4 - 3xy^2 + 1, attains a global maximum value at (1,1,4)(-1, 1, 4). Moreover, fy(1,1,4)=20f_y(-1, 1, 4) = 20. Use linearization to estimate the change of the maximum value when f(x,y,z)f(x,y,z) is restricted to the surface z=x3+y43xy2+0.8z = x^3 + y^4 - 3xy^2 + 0.8 instead.

解答

解法一

思路

展開

本題是拉格朗日乘子法敏感度定理(包絡定理 Envelope Theorem)的嚴格證明與應用題。

(a) 證明 dfmaxda=λ(a)\frac{\mathrm{d}f_{\max}}{\mathrm{d}a} = \lambda(a)

  • fmax(a)=f(x(a),y(a),z(a))f_{\max}(a) = f(x^*(a), y^*(a), z^*(a))
  • 使用鏈鎖律對 aa 求導: dfmaxda=f(r(a))dr(a)da=fxdxda+fydyda+fzdzda\frac{\mathrm{d}f_{\max}}{\mathrm{d}a} = \nabla f(\mathbf{r}(a)) \cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}(a)}{\mathrm{d}a} = f_x \frac{\mathrm{d}x^*}{\mathrm{d}a} + f_y \frac{\mathrm{d}y^*}{\mathrm{d}a} + f_z \frac{\mathrm{d}z^*}{\mathrm{d}a}
  • 代入已知拉格朗日乘子條件 f(r(a))=λ(a)g(r(a))\nabla f(\mathbf{r}(a)) = \lambda(a) \nabla g(\mathbf{r}(a))dfmaxda=λ(a)(g(r(a))dr(a)da)\frac{\mathrm{d}f_{\max}}{\mathrm{d}a} = \lambda(a) \left( \nabla g(\mathbf{r}(a)) \cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}(a)}{\mathrm{d}a} \right)
  • 另外,最優點必定滿足約束條件,即 g(x(a),y(a),z(a))=ag(x^*(a), y^*(a), z^*(a)) = a
  • 對此约束式兩邊關於 aa 求導: g(r(a))dr(a)da=1\nabla g(\mathbf{r}(a)) \cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}(a)}{\mathrm{d}a} = 1,代回即證。

(b) 利用線性近似估計最大值變化量

  • 約束表面方程式可寫為: g(x,y,z)=z(x3+y43xy2)=ag(x,y,z) = z - (x^3 + y^4 - 3xy^2) = a
  • 原先的限制常數為 a0=1a_0 = 1。此時最優點為 r(1)=(1,1,4)\mathbf{r}(1) = (-1, 1, 4)
  • 新的限制常數為 a1=0.8a_1 = 0.8。變化量為 Δa=0.81=0.2\Delta a = 0.8 - 1 = -0.2
  • 根據 (a) 小題結論,最大值隨 aa 的變化率即為拉格朗日乘子 λ(1)\lambda(1)
  • 我們可由分量關係 fy=λgyf_y = \lambda g_y 求出該點的 λ(1)\lambda(1) 值。
    • 先求偏導: gy=gy=4y3+6xyg_y = \frac{\partial g}{\partial y} = -4y^3 + 6xy
    • 代入切點點求出 gy(1,1,4)g_y(-1, 1, 4),再由 20=λ(1)gy20 = \lambda(1) \cdot g_y 解出 λ(1)=2\lambda(1) = -2
  • 最後,用線性近似估計最大值的改变量: Δfmaxλ(1)Δa\Delta f_{\max} \approx \lambda(1) \cdot \Delta a

答題過程

展開

(a) 證明 dfmaxda=λ(a)\displaystyle \frac{\mathrm{d}f_{\max}}{\mathrm{d}a} = \lambda(a)

根據定義,最大值函數為:

fmax(a)=f(x(a),y(a),z(a))=f(r(a))f_{\max}(a) = f(x^*(a), y^*(a), z^*(a)) = f(\mathbf{r}(a))

其中最優點向量為 r(a)=x(a),y(a),z(a)\mathbf{r}(a) = \langle x^*(a),\, y^*(a),\, z^*(a) \rangle

fmax(a)f_{\max}(a) 關於 aa 進行求導(套用多元函數連鎖律):

dfmaxda=f(r(a))drda=fxdxda+fydyda+fzdzda— (1)\frac{\mathrm{d}f_{\max}}{\mathrm{d}a} = \nabla f(\mathbf{r}(a)) \cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}a} = \frac{\partial f}{\partial x} \frac{\mathrm{d}x^*}{\mathrm{d}a} + \frac{\partial f}{\partial y} \frac{\mathrm{d}y^*}{\mathrm{d}a} + \frac{\partial f}{\partial z} \frac{\mathrm{d}z^*}{\mathrm{d}a} \quad \text{--- (1)}

已知條件 (2) 指出,存在乘子 λ(a)\lambda(a) 使得 f(r(a))=λ(a)g(r(a))\nabla f(\mathbf{r}(a)) = \lambda(a) \cdot \nabla g(\mathbf{r}(a))。將其代入式 (1):

dfmaxda=(λ(a)g(r(a)))drda=λ(a)(g(r(a))drda)— (2)\frac{\mathrm{d}f_{\max}}{\mathrm{d}a} = \left( \lambda(a) \nabla g(\mathbf{r}(a)) \right) \cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}a} = \lambda(a) \left( \nabla g(\mathbf{r}(a)) \cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}a} \right) \quad \text{--- (2)}

又因為對於所有的 aa,最優點 r(a)\mathbf{r}(a) 必須滿足約束條件:

g(x(a),y(a),z(a))=ag(x^*(a), y^*(a), z^*(a)) = a

將此恆等式兩邊同時關於 aa 求導(套用多元函數連鎖律):

g(r(a))drda=1    gxdxda+gydyda+gzdzda=1— (3)\nabla g(\mathbf{r}(a)) \cdot \frac{\mathrm{d}\mathbf{r}}{\mathrm{d}a} = 1 \implies \frac{\partial g}{\partial x} \frac{\mathrm{d}x^*}{\mathrm{d}a} + \frac{\partial g}{\partial y} \frac{\mathrm{d}y^*}{\mathrm{d}a} + \frac{\partial g}{\partial z} \frac{\mathrm{d}z^*}{\mathrm{d}a} = 1 \quad \text{--- (3)}

將式 (3) 代回式 (2) 中,可得:

dfmaxda=λ(a)1=λ(a)\frac{\mathrm{d}f_{\max}}{\mathrm{d}a} = \lambda(a) \cdot 1 = \lambda(a)

公式得證。


(b) 估計最大值的變化量

我們將限制表面寫成約束函數形式。令:

g(x,y,z)=zx3y4+3xy2=ag(x, y, z) = z - x^3 - y^4 + 3xy^2 = a

此時:

  • 原先的限制面為 z=x3+y43xy2+1    a0=1z = x^3 + y^4 - 3xy^2 + 1 \implies a_0 = 1
  • 新的限制面為 z=x3+y43xy2+0.8    a1=0.8z = x^3 + y^4 - 3xy^2 + 0.8 \implies a_1 = 0.8
  • 常數 aa 的變化量為: Δa=a1a0=0.81=0.2\Delta a = a_1 - a_0 = 0.8 - 1 = -0.2

已知在 a0=1a_0 = 1 時,最優解發生在 P0(1,1,4)P_0(-1, 1, 4)。此時的拉格朗日乘子滿足分量方程:

f(P0)=λ(1)g(P0)    fy(P0)=λ(1)gy(P0)\nabla f(P_0) = \lambda(1) \cdot \nabla g(P_0) \implies f_y(P_0) = \lambda(1) \cdot g_y(P_0)

我們計算約束函數 gg 關於 yy 的偏導函數:

gy(x,y,z)=y(zx3y4+3xy2)=4y3+6xyg_y(x, y, z) = \frac{\partial}{\partial y} \left( z - x^3 - y^4 + 3xy^2 \right) = -4y^3 + 6xy

代入點 P0(1,1,4)P_0(-1, 1, 4)

gy(1,1,4)=4(1)3+6(1)(1)=46=10g_y(-1, 1, 4) = -4(1)^3 + 6(-1)(1) = -4 - 6 = -10

利用已知條件 fy(1,1,4)=20f_y(-1, 1, 4) = 20

20=λ(1)(10)    λ(1)=220 = \lambda(1) \cdot (-10) \implies \lambda(1) = -2

根據 (a) 小題的敏感度公式,最大值對限制常數 aa 的導數為 λ(a)\lambda(a)。利用線性近似(全微分關係):

Δfmaxdfmaxdaa=1Δa=λ(1)Δa\Delta f_{\max} \approx \left. \frac{\mathrm{d}f_{\max}}{\mathrm{d}a} \right|_{a=1} \cdot \Delta a = \lambda(1) \cdot \Delta a

代入數值:

Δfmax(2)(0.2)=0.4\Delta f_{\max} \approx (-2) \cdot (-0.2) = 0.4

因此,當約束面改變時,最大值估計會增加約 0.40.4

結論:

  • (a) 證明如上。
  • (b) 最大值變化量估計為 +0.4+0.4