Решим обе задачи в стиле приведённого конспекта: через функцию Лагранжа, активные ограничения, условия стационарности и проверку достаточных условий .
Задача 1. Конус наибольшего объёма, вписанный в шар R sph = 15 R_{\text{sph}}=15 R sph = 15
Обозначим:
R = 15 , H — высота конуса , r — радиус основания . R=15,\qquad H \text{ — высота конуса},\qquad r \text{ — радиус основания}. R = 15 , H — высота конуса , r — радиус основания .
Объём конуса:
V = 1 3 π r 2 H → max . V=\frac13\pi r^2H\to\max. V = 3 1 π r 2 H → max .
1. Геометрическое ограничение
Рассмотрим осевое сечение шара и конуса. Расстояние от центра шара до плоскости основания равно R − H R-H R − H . Поэтому из прямоугольного треугольника
r 2 + ( R − H ) 2 = R 2 . r^2+(R-H)^2=R^2. r 2 + ( R − H ) 2 = R 2 .
Раскрываем:
r 2 + R 2 − 2 R H + H 2 = R 2 , r^2+R^2-2RH+H^2=R^2, r 2 + R 2 − 2 R H + H 2 = R 2 ,
откуда
r 2 = 2 R H − H 2 . \boxed{r^2=2RH-H^2}. r 2 = 2 R H − H 2 .
При R = 15 R=15 R = 15 :
r 2 = 30 H − H 2 . \boxed{r^2=30H-H^2}. r 2 = 30 H − H 2 .
Очевидная область:
0 ≤ H ≤ 30. 0\le H\le 30. 0 ≤ H ≤ 30.
2. Сводим задачу к функции одной переменной
Подставляем выражение для r 2 r^2 r 2 в объём:
V ( H ) = π 3 ( 30 H − H 2 ) H . V(H)=\frac{\pi}{3}(30H-H^2)H. V ( H ) = 3 π ( 30 H − H 2 ) H .
То есть
V ( H ) = π 3 ( 30 H 2 − H 3 ) → max . V(H)=\frac{\pi}{3}(30H^2-H^3)\to\max. V ( H ) = 3 π ( 30 H 2 − H 3 ) → max .
Найдём стационарные точки:
V ′ ( H ) = π 3 ( 60 H − 3 H 2 ) = π H ( 20 − H ) . V'(H)
=
\frac{\pi}{3}(60H-3H^2)
=
\pi H(20-H). V ′ ( H ) = 3 π ( 60 H − 3 H 2 ) = π H ( 20 − H ) .
Условие стационарности:
V ′ ( H ) = 0. V'(H)=0. V ′ ( H ) = 0.
Следовательно,
π H ( 20 − H ) = 0 , \pi H(20-H)=0, π H ( 20 − H ) = 0 ,
откуда
H = 0 H=0 H = 0
или
H = 20 . \boxed{H=20}. H = 20 .
H = 0 H=0 H = 0 соответствует вырожденному конусу, поэтому интерес представляет H = 20 H=20 H = 20 .
3. Проверка второго порядка
V ′ ′ ( H ) = π ( 20 − 2 H ) . V''(H)=\pi(20-2H). V ′′ ( H ) = π ( 20 − 2 H ) .
При H = 20 H=20 H = 20 :
V ′ ′ ( 20 ) = π ( 20 − 40 ) = − 20 π < 0. V''(20)=\pi(20-40)=-20\pi<0. V ′′ ( 20 ) = π ( 20 − 40 ) = − 20 π < 0.
Следовательно, при H = 20 H=20 H = 20 достигается локальный максимум.
Кроме того,
V ( 0 ) = V ( 30 ) = 0 , V(0)=V(30)=0, V ( 0 ) = V ( 30 ) = 0 ,
а при H = 20 H=20 H = 20 объём положителен. Поэтому это также глобальный максимум .
Итак,
H max = 20 . \boxed{H_{\max}=20}. H m a x = 20 .
Для полноты найдём радиус основания:
r 2 = 30 ⋅ 20 − 2 0 2 = 600 − 400 = 200 , r^2=30\cdot20-20^2=600-400=200, r 2 = 30 ⋅ 20 − 2 0 2 = 600 − 400 = 200 ,
r = 10 2 . \boxed{r=10\sqrt2}. r = 10 2 .
Максимальный объём:
V max = 1 3 π ⋅ 200 ⋅ 20 = 4000 π 3 . V_{\max}
=
\frac13\pi\cdot200\cdot20
=
\boxed{\frac{4000\pi}{3}}. V m a x = 3 1 π ⋅ 200 ⋅ 20 = 3 4000 π .
Решение этой же задачи через функцию Лагранжа
Это непосредственно соответствует методу из конспекта. Имеем
f ( r , H ) = π 3 r 2 H → max f(r,H)=\frac{\pi}{3}r^2H\to\max f ( r , H ) = 3 π r 2 H → max
при ограничении
h ( r , H ) = r 2 + ( H − R ) 2 − R 2 = 0. h(r,H)=r^2+(H-R)^2-R^2=0. h ( r , H ) = r 2 + ( H − R ) 2 − R 2 = 0.
Функция Лагранжа:
F ( r , H , μ ) = π 3 r 2 H + μ [ r 2 + ( H − R ) 2 − R 2 ] . F(r,H,\mu)
=
\frac{\pi}{3}r^2H+
\mu\left[r^2+(H-R)^2-R^2\right]. F ( r , H , μ ) = 3 π r 2 H + μ [ r 2 + ( H − R ) 2 − R 2 ] .
Условия стационарности:
∂ F ∂ r = 2 π 3 r H + 2 μ r = 0 , \frac{\partial F}{\partial r}
=
\frac{2\pi}{3}rH+2\mu r=0, ∂ r ∂ F = 3 2 π rH + 2 μ r = 0 ,
∂ F ∂ H = π 3 r 2 + 2 μ ( H − R ) = 0 , \frac{\partial F}{\partial H}
=
\frac{\pi}{3}r^2+2\mu(H-R)=0, ∂ H ∂ F = 3 π r 2 + 2 μ ( H − R ) = 0 ,
r 2 + ( H − R ) 2 − R 2 = 0. r^2+(H-R)^2-R^2=0. r 2 + ( H − R ) 2 − R 2 = 0.
Для невырожденного конуса r ≠ 0 r\ne0 r = 0 , поэтому из первого уравнения
μ = − π H 3 . \mu=-\frac{\pi H}{3}. μ = − 3 π H .
Подставляем во второе:
π 3 r 2 − 2 π H 3 ( H − R ) = 0. \frac{\pi}{3}r^2
-
\frac{2\pi H}{3}(H-R)=0. 3 π r 2 − 3 2 π H ( H − R ) = 0.
После сокращения:
r 2 = 2 H ( H − R ) . r^2=2H(H-R). r 2 = 2 H ( H − R ) .
Одновременно из ограничения
r 2 = 2 R H − H 2 . r^2=2RH-H^2. r 2 = 2 R H − H 2 .
Следовательно,
2 H ( H − R ) = 2 R H − H 2 . 2H(H-R)=2RH-H^2. 2 H ( H − R ) = 2 R H − H 2 .
2 H 2 − 2 R H = 2 R H − H 2 , 2H^2-2RH=2RH-H^2, 2 H 2 − 2 R H = 2 R H − H 2 ,
3 H 2 − 4 R H = 0. 3H^2-4RH=0. 3 H 2 − 4 R H = 0.
Так как H > 0 H>0 H > 0 ,
3 H − 4 R = 0 , 3H-4R=0, 3 H − 4 R = 0 ,
H = 4 R 3 . \boxed{H=\frac{4R}{3}}. H = 3 4 R .
При R = 15 R=15 R = 15 :
H = 20 . \boxed{H=20}. H = 20 .
Задача 2. Нелинейное программирование
Дано
f ( x 1 , x 2 ) = 9 x 1 + 12 x 2 → extr , f(x_1,x_2)=9x_1+12x_2\to \operatorname{extr}, f ( x 1 , x 2 ) = 9 x 1 + 12 x 2 → extr ,
при ограничении
g ( x 1 , x 2 ) = x 1 2 + x 2 2 − 225 ≤ 0. g(x_1,x_2)=x_1^2+x_2^2-225\le0. g ( x 1 , x 2 ) = x 1 2 + x 2 2 − 225 ≤ 0.
То есть допустимая область — круг
x 1 2 + x 2 2 ≤ 225 x_1^2+x_2^2\le225 x 1 2 + x 2 2 ≤ 225
радиуса 15 15 15 .
Нужно найти минимум и максимум .
1. Функция Лагранжа
Как в конспекте, для ограничения вида g ( x ) ≤ 0 g(x)\le0 g ( x ) ≤ 0 записываем
F ( x 1 , x 2 , λ ) = 9 x 1 + 12 x 2 + λ ( x 1 2 + x 2 2 − 225 ) . F(x_1,x_2,\lambda)
=
9x_1+12x_2+
\lambda(x_1^2+x_2^2-225). F ( x 1 , x 2 , λ ) = 9 x 1 + 12 x 2 + λ ( x 1 2 + x 2 2 − 225 ) .
Условия стационарности:
∂ F ∂ x 1 = 9 + 2 λ x 1 = 0 , \frac{\partial F}{\partial x_1}
=
9+2\lambda x_1=0, ∂ x 1 ∂ F = 9 + 2 λ x 1 = 0 ,
∂ F ∂ x 2 = 12 + 2 λ x 2 = 0. \frac{\partial F}{\partial x_2}
=
12+2\lambda x_2=0. ∂ x 2 ∂ F = 12 + 2 λ x 2 = 0.
Условие дополняющей нежёсткости:
λ ( x 1 2 + x 2 2 − 225 ) = 0. \lambda(x_1^2+x_2^2-225)=0. λ ( x 1 2 + x 2 2 − 225 ) = 0.
Также
x 1 2 + x 2 2 − 225 ≤ 0. x_1^2+x_2^2-225\le0. x 1 2 + x 2 2 − 225 ≤ 0.
Активность ограничения
Если ограничение было бы пассивным, то
g ( x ) < 0 g(x)<0 g ( x ) < 0
и по условию дополняющей нежёсткости
λ = 0. \lambda=0. λ = 0.
Но тогда условия стационарности дали бы
9 = 0 , 12 = 0 , 9=0,\qquad 12=0, 9 = 0 , 12 = 0 ,
что невозможно.
Следовательно, в точках экстремума ограничение обязательно активно :
x 1 2 + x 2 2 = 225 . \boxed{x_1^2+x_2^2=225}. x 1 2 + x 2 2 = 225 .
2. Находим условно стационарные точки
Из условий стационарности:
x 1 = − 9 2 λ , x_1=-\frac{9}{2\lambda}, x 1 = − 2 λ 9 ,
x 2 = − 12 2 λ . x_2=-\frac{12}{2\lambda}. x 2 = − 2 λ 12 .
Подставляем в активное ограничение:
( − 9 2 λ ) 2 + ( − 12 2 λ ) 2 = 225. \left(-\frac{9}{2\lambda}\right)^2
+
\left(-\frac{12}{2\lambda}\right)^2
=225. ( − 2 λ 9 ) 2 + ( − 2 λ 12 ) 2 = 225.
Получаем
81 + 144 4 λ 2 = 225. \frac{81+144}{4\lambda^2}=225. 4 λ 2 81 + 144 = 225.
Поскольку
81 + 144 = 225 , 81+144=225, 81 + 144 = 225 ,
имеем
225 4 λ 2 = 225. \frac{225}{4\lambda^2}=225. 4 λ 2 225 = 225.
Отсюда
4 λ 2 = 1 , 4\lambda^2=1, 4 λ 2 = 1 ,
λ = ± 1 2 . \boxed{\lambda=\pm\frac12}. λ = ± 2 1 .
Минимум
Для задачи на минимум при g ( x ) ≤ 0 g(x)\le0 g ( x ) ≤ 0 , согласно приведённому правилу множителей Лагранжа,
λ ≥ 0. \lambda\ge0. λ ≥ 0.
Поэтому
λ = 1 2 . \boxed{\lambda=\frac12}. λ = 2 1 .
Тогда
x 1 = − 9 2 ⋅ 1 2 = − 9 , x_1=-\frac{9}{2\cdot\frac12}=-9, x 1 = − 2 ⋅ 2 1 9 = − 9 ,
x 2 = − 12 2 ⋅ 1 2 = − 12. x_2=-\frac{12}{2\cdot\frac12}=-12. x 2 = − 2 ⋅ 2 1 12 = − 12.
Получаем
x min = ( − 9 , − 12 ) . \boxed{x^{\min}=(-9,-12)}. x m i n = ( − 9 , − 12 ) .
Значение функции:
f ( − 9 , − 12 ) = 9 ( − 9 ) + 12 ( − 12 ) = − 81 − 144 = − 225 . f(-9,-12)
=
9(-9)+12(-12)
=
-81-144
=
\boxed{-225}. f ( − 9 , − 12 ) = 9 ( − 9 ) + 12 ( − 12 ) = − 81 − 144 = − 225 .
То есть
f min = − 225 . \boxed{f_{\min}=-225}. f m i n = − 225 .
Проверка условия второго порядка
Так как
F = 9 x 1 + 12 x 2 + λ ( x 1 2 + x 2 2 − 225 ) , F=9x_1+12x_2+\lambda(x_1^2+x_2^2-225), F = 9 x 1 + 12 x 2 + λ ( x 1 2 + x 2 2 − 225 ) ,
то матрица вторых производных по x x x :
F x x ′ ′ = ( 2 λ 0 0 2 λ ) . F_{xx}''
=
\begin{pmatrix}
2\lambda&0\\
0&2\lambda
\end{pmatrix}. F xx ′′ = ( 2 λ 0 0 2 λ ) .
При
λ = 1 2 \lambda=\frac12 λ = 2 1
получаем
F x x ′ ′ = ( 1 0 0 1 ) . F_{xx}''
=
\begin{pmatrix}
1&0\\
0&1
\end{pmatrix}. F xx ′′ = ( 1 0 0 1 ) .
Для любого l = ( l 1 , l 2 ) ≠ 0 l=(l_1,l_2)\ne0 l = ( l 1 , l 2 ) = 0
l T F x x ′ ′ l = l 1 2 + l 2 2 > 0. l^TF_{xx}''l
=
l_1^2+l_2^2>0. l T F xx ′′ l = l 1 2 + l 2 2 > 0.
Таким образом, достаточное условие минимума выполняется.
Максимум
Как указано в замечании в конспекте, для задачи на максимум при ограничениях g ( x ) ≤ 0 g(x)\le0 g ( x ) ≤ 0 условие для множителя меняется на
λ ≤ 0. \lambda\le0. λ ≤ 0.
Следовательно,
λ = − 1 2 . \boxed{\lambda=-\frac12}. λ = − 2 1 .
Тогда
x 1 = − 9 2 ( − 1 / 2 ) = 9 , x_1=-\frac{9}{2(-1/2)}=9, x 1 = − 2 ( − 1/2 ) 9 = 9 ,
x 2 = − 12 2 ( − 1 / 2 ) = 12. x_2=-\frac{12}{2(-1/2)}=12. x 2 = − 2 ( − 1/2 ) 12 = 12.
Получаем точку
x max = ( 9 , 12 ) . \boxed{x^{\max}=(9,12)}. x m a x = ( 9 , 12 ) .
В ней
f ( 9 , 12 ) = 9 ⋅ 9 + 12 ⋅ 12 = 81 + 144 = 225 . f(9,12)
=
9\cdot9+12\cdot12
=
81+144
=
\boxed{225}. f ( 9 , 12 ) = 9 ⋅ 9 + 12 ⋅ 12 = 81 + 144 = 225 .
Следовательно,
f max = 225 . \boxed{f_{\max}=225}. f m a x = 225 .
Для максимума
F x x ′ ′ = ( − 1 0 0 − 1 ) , F_{xx}''
=
\begin{pmatrix}
-1&0\\
0&-1
\end{pmatrix}, F xx ′′ = ( − 1 0 0 − 1 ) ,
поэтому
l T F x x ′ ′ l = − l 1 2 − l 2 2 < 0 l^TF_{xx}''l
=
-l_1^2-l_2^2<0 l T F xx ′′ l = − l 1 2 − l 2 2 < 0
для любого l ≠ 0 l\ne0 l = 0 . Это соответствует достаточному условию максимума.
Так как множество
x 1 2 + x 2 2 ≤ 225 x_1^2+x_2^2\le225 x 1 2 + x 2 2 ≤ 225
компактно, найденные минимум и максимум являются глобальными .
Итоговые ответы
Задача Результат 1. Конус в шаре R = 15 R=15 R = 15 H max = 20 \boxed{H_{\max}=20} H m a x = 20 Радиус основания оптимального конуса r = 10 2 \boxed{r=10\sqrt2} r = 10 2 Максимальный объём V max = 4000 π 3 \boxed{V_{\max}=\frac{4000\pi}{3}} V m a x = 3 4000 π 2. Минимум x = ( − 9 , − 12 ) , f min = − 225 \boxed{x=(-9,-12),\quad f_{\min}=-225} x = ( − 9 , − 12 ) , f m i n = − 225 2. Максимум x = ( 9 , 12 ) , f max = 225 \boxed{x=(9,12),\quad f_{\max}=225} x = ( 9 , 12 ) , f m a x = 225
Для второй задачи геометрически результат также легко проверить: вектор коэффициентов функции ( 9 , 12 ) (9,12) ( 9 , 12 ) имеет длину
9 2 + 1 2 2 = 15 , \sqrt{9^2+12^2}=15, 9 2 + 1 2 2 = 15 ,
то есть равную радиусу допустимого круга. Поэтому максимум достигается в направлении ( 9 , 12 ) (9,12) ( 9 , 12 ) , а минимум — в противоположном направлении ( − 9 , − 12 ) (-9,-12) ( − 9 , − 12 ) .