不等式拉格朗日乘子大于0 的解释

本文探讨了在《Nonlinear Programming》一书中关于松弛不等式约束的概念,从几何与算法角度解释了这一过程如何影响最优成本,并讨论了拉格朗日乘子的敏感性解释。

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  一直郁闷与这点:在一本书上看到先关内容

  是:《nonlinear programming》 second edition  by dimitri P.bertsekas (MIT)

在书中309页

给出两个解释:从几何  和  算法角度进行了解释


几何角度:参看书籍

算法角度:1.将不等式 active 约束松弛成gj(x)<=uj,

the optimal cost will tend to decrease because the constraint set will become larger.

therefore the sensitivity interpretation of the lagrange multiplier  uj*  = -(deta cost due to uj )/uj suggests that uj*>=0

就是说从边际价格的角度来看,随着active 约束的松弛,可行域增大,总得费用会减小,拉格朗日乘子代表的边际价格会增大。


### 拉格朗日乘子法在MATLAB中的实现 #### 使用`fmincon`函数解决带有约束的优化问题 为了展示拉格朗日乘子法的实际应用,下面提供了一个具体的例子来说明如何使用MATLAB内置的`fmincon`函数处理具有不等式和/或等式约束条件下的最小化问题。该实例涉及定义目标函数、设置初始猜测值、指定边界限制以及编写非线性约束表达式的M文件[^1]。 #### 定义目标函数 假设要最小化的函数为: \[ f(x,y)=x^2+y^2 \] 其中 \( x, y \) 是决策变量。这个简单的二次型可以作为测试案例的基础模型。 ```matlab function z = objectiveFunction(xy) % 输入参数 xy 是一个向量 [x; y] x = xy(1); y = xy(2); % 计算并返回目标函数值 z = x^2 + y^2; end ``` #### 设置初始点与界限 对于上述的目标函数,可以选择任意一点作为起点;这里选取 `[0.5 ; 1]` 。同时设定上下限范围以确保迭代过程中不会偏离合理区间。 ```matlab % 初始估计值 initialPoint = [0.5 ; 1]; % 变量取值范围 (lb <= x <= ub) lowerBounds = [-Inf , -Inf]; upperBounds = [ Inf , Inf ]; ``` #### 编写非线性约束条件 考虑加入两个额外的要求:一个是圆心位于原点半径等于1单位长度内的区域外侧(即 \( g_1(x,y):=r-\sqrt{x^2+y^2}\leqslant0\)),另一个则是斜率为正的一条直线左侧 (\(g_2(x,y):=-y+x\geqslant0\))。这两个关系可以通过创建一个新的 M 文件 `nonlinearConstraints.m` 来表示: ```matlab function [c, ceq] = nonlinearConstraints(xy) c = []; ceq = []; % 不等式约束 r = 1; % 圆形障碍物的半径 d = sqrt(sum(xy.^2)); % 当前位置距离中心的距离 if ~isempty(c) c(end+1) = r-d; % 如果超出圆形,则违反此约束 end if xy(2)-xy(1)<0 c(end+1) = -(xy(2)-xy(1)); % 斜率大于零意味着满足这条线性的约束 end % 等式约束为空,在这个问题里我们只关心不等式部分 end ``` #### 调用`fmincon`执行最优化过程 最后一步就是调用`fmincon`命令来进行求解操作了。注意传递给它的选项结构体应该包含对之前编写的辅助函数路径指向的信息。 ```matlab options = optimset('Display','iter'); % 显示每次迭代的结果 [xOptimal,fval]=fmincon(@objectiveFunction,... initialPoint,[],[],... [],[], lowerBounds, upperBounds,... @nonlinearConstraints,options); disp(['最优解的位置:', num2str(xOptimal)]); disp(['对应的最低成本:', num2str(fval)]); ``` 这段脚本展示了完整的流程——从构建数学描述直到获得最终解答的过程。当然,实际情况可能会更加复杂,可能涉及到更多维度的数据集或是更严格的物理法则限制等因素的影响。但是基本思路是一致的:先建立清晰的问题框架,再借助合适的工具完成自动化分析工作。
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