Foro

Multiplicadores de Lagrange

Halla los máximos y mínimos de una función de dos o tres variables sobre una restricción g = c: plantea ∇f = λ∇g, encuentra los puntos críticos, calcula λ y dice si cada uno es máximo, mínimo o de silla, viendo las curvas de nivel.

Datos

Variables x e y (y z si la usas): x^2 + y^2, x y, 2x + 3y, e^(x y), x^2 y z… La restricción es g(x, y) = c; escribe c a la derecha. Los puntos se buscan numéricamente y se reconocen los valores exactos (√2/2, 1/3…).

Resultados

Curvas de nivel

Desarrollo

    Publicidad

    La idea

    Para optimizar $f(x, y)$ sobre la curva $g(x, y) = c$, en un extremo la curva de nivel de $f$ es tangente a la restricción: los gradientes son paralelos.

    $∇f = λ ∇g, \quad g(x, y) = c$

    Son tres ecuaciones (cuatro con tres variables) con las incógnitas $x$, $y$, $λ$. El número $λ$ es el multiplicador y mide cuánto cambia el óptimo si cambia $c$: $λ = d f^{*}/d c$.

    Máximo, mínimo o silla

    Con la lagrangiana $L = f − λ g$, en cada punto crítico se estudia el hessiano de $L$ solo en las direcciones tangentes a la restricción. En dos variables, con $t = (−g_y, g_x)$, el signo de $q = t^T H_L t$ decide: $q > 0$ mínimo, $q < 0$ máximo (equivale al determinante del hessiano orlado, con el signo cambiado). En tres variables se mira el hessiano en el plano tangente: dos autovalores positivos, mínimo; negativos, máximo; distintos, silla.

    Los puntos críticos son solo candidatos: para decir cuál es el máximo absoluto se comparan los valores de $f$, y si la restricción no es cerrada y acotada puede que no haya máximo o mínimo.

    Preguntas frecuentes

    ¿Cómo se usan los multiplicadores de Lagrange?

    Para optimizar f con la restricción g = c se resuelve ∇f = λ∇g junto con g = c. Para f = x² + y² con x + y = 2: 2x = λ, 2y = λ y x + y = 2 dan x = y = 1, λ = 2 y f = 2, que es el mínimo.

    ¿Cómo se sabe si el punto es máximo o mínimo?

    Se mira el hessiano de L = f − λg en la dirección tangente a la restricción: q > 0 es mínimo y q < 0 máximo (en dos variables, el signo contrario al del hessiano orlado). Para x y con 2x + 2y = 20 sale x = y = 5, f = 25 y es un máximo.

    Publicidad

    Herramientas relacionadas

    Graficador de funciones →Dibuja hasta tres funciones, mueve y acerca la gráfica y saca el dominio, los cortes, las asíntotas y los extremos. Matrices paso a paso →Determinante, inversa, rango, Gauss-Jordan y valores propios, con fracciones exactas y complejos. Sistemas de ecuaciones lineales →Rouché-Frobenius, Gauss, Cramer e inversa, en paramétricas, también con complejos. Convergencia de series →Si una serie converge o diverge: condición necesaria, geométrica, serie p, cociente, raíz, comparación y Leibniz, con su suma.