題目
Problem
10. Use Lagrange multipliers to find the extreme values of
f(x,y)=45x2+47y2−23xy
subject to the constraint x2+y2=1. (10%)
解答
思路
展開
- 目標函數: f(x,y)=45x2+47y2−23xy。
- 約束條件: g(x,y)=x2+y2−1=0。
- 拉格朗日乘子法:建立方程組 ∇f=λ∇g。
- 求解方程組。在消去 λ 的過程中需要特別小心代數運算(若兩側平方需注意檢驗是否為增根),並確保帶入極值計算時點與 xy 的正負號對應正確。
答題過程
展開
第一步:建立拉格朗日聯立方程式
計算偏導數:
∇f=⟨25x−23y, 27y−23x⟩
∇g=⟨2x,2y⟩
拉格朗日方程組 ∇f=λ∇g 意即向量 ∇f 與 ∇g 平行(外積為零):
(25x−23y)(2y)−(27y−23x)(2x)=0
⟹(5x−3y)y−(7y−3x)x=0
⟹5xy−3y2−7xy+3x2=0
⟹3(x2−y2)=2xy⋯⋯(1)
結合約束條件:
x2+y2=1⟹y2=1−x2⋯⋯(2)
第二步:嚴謹求解方程組(避免平方引入增根)
將 (2) 代入 (1):
3(2x2−1)=2xy⋯⋯(3)
將 (3) 兩邊平方(在此需注意:平方後必須回代檢查是否滿足原式,因為它可能引入 3(2x2−1)=−2xy 的反向解):
3(2x2−1)2=4x2y2
代入 y2=1−x2:
3(4x4−4x2+1)=4x2(1−x2)
12x4−12x2+3=4x2−4x4⟹16x4−16x2+3=0
因式分解:
(4x2−1)(4x2−3)=0⟹x2=41 或 x2=43
我們對這兩組解在約束條件 y2=1−x2 下進行論證:
-
當 x2=41⟹y2=43:
此時 x2−y2=41−43=−21。
代回原方程 (1): 3(−21)=2xy⟹2xy=−23<0。
這說明 x 與 y 必須異號。
故此時合法的臨界點只有兩點:
(x,y)=(21,−23), (−21,23)
將其代入目標函數,此時 x2=1/4,y2=3/4,xy=−3/4:
f(±21,∓23)=45(41)+47(43)−23(−43)=165+1621+166=2
-
當 x2=43⟹y2=41:
此時 x2−y2=43−41=21。
代回原方程 (1): 3(21)=2xy⟹2xy=23>0。
這說明 x 與 y 必須同號。
故此時合法的臨界點只有兩點:
(x,y)=(23,21), (−23,−21)
將其代入目標函數,此時 x2=3/4,y2=1/4,xy=3/4:
f(±23,±21)=45(43)+47(41)−23(43)=1615+167−166=1
結論:
最大值為 2,最小值為 1。