拉格朗日乘数法

题目

在无穷大的水平面上有一个平面直角坐标系。N-1条垂直于x轴的直线将空间分为了N个区域。

你被要求把(0,0)(0,0)处的箱子匀速推到(x,y)(x,y)

箱子受水平面的摩擦力与正压力正相关,所以在每个区域的摩擦力可以表示为fifi

那么,你把箱子推到目的地做的最小功是多少呢?(不考虑改变速度时的做功)

拉格朗日乘数法

所谓拉格朗日乘数法,就是现在我有若干变量:x1,x2,x3,x4...xnx1,x2,x3,x4...xn,有条件G(x)=KG(x)=K,然后要求最大/小化一个函数F(x)F(x)
这样的话,只要整出一个变量lambdalambda,然后对于函数L(x)=F(x)lambda(G(x)K)L(x)=F(x)−lambda(G(x)−K),对于包括lambdalambda在内的所有变量求偏导,当所有的偏导数都是0的时候,F(x)F(x)取到最值。

解题思路

本题中,F(x)=ni=1fid2i+y2iF(x)=∑i=1nfidi2+yi2G(x)=ni=1yi=YG(x)=∑i=1nyi=Y,发现我们可以二分λλ,由于对每个yiyi求偏导的结果都要是0。使用复合函数求导的方法,将L(x)L(x)xixi求偏导的结果是fiyid2i+y2ifiyidi2+yi2,可以得到yi=λdif2iλ2yi=λdifi2−λ2,发现本式具有单调性,将求解出来的yiyi相加,看比YY大还是小,就可以知道二分的这个λ大了还是小了。
最后算一下F(x)F(x)

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
#define RI register int
typedef double db;
const int N=105;
const db eps=1e-7;
int n;db d[N],f[N],Y,ans;
int check(db u) {
    db y=0;
    for(RI i=1;i<=n;++i) y+=d[i]*u/sqrt(f[i]*f[i]-u*u+1e-9);
    return y>Y;
}
int main()
{
    db l,r=1e20,res=0;
    scanf("%d%lf",&n,&Y);
    for(RI i=1;i<=n;++i) scanf("%lf",&d[i]);
    for(RI i=1;i<=n;++i) scanf("%lf",&f[i]),f[i]=1/f[i],r=min(r,f[i]);
    l=-r;
    while(r-l>eps) {
        db mid=(l+r)/2.0;
        if(check(mid)) res=mid,r=mid;
        else l=mid;
    }
    for(RI i=1;i<=n;++i) ans+=d[i]*f[i]*sqrt(1+res*res/(f[i]*f[i]-res*res));
    printf("%.3lfn",ans);
    return 0;
}
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