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Lição 13 — Multiplicadores de Lagrange — Uma Restrição

Método dos multiplicadores de Lagrange para otimização com uma restrição igualdade: condição de colinearidade dos gradientes, interpretação geométrica e exemplos clássicos.

Used in: Cálculo 3 — Unidade 2 · USP MAT0216 · ITA MA-013

f(x)=λg(x);g(x)=0;L=fλg\nabla f(\mathbf{x}^*) = \lambda\,\nabla g(\mathbf{x}^*);\quad g(\mathbf{x}^*) = 0;\quad \mathcal{L} = f - \lambda g

No extremo condicionado, os gradientes de ff e da restrição gg são paralelos: f=λg\nabla f = \lambda\nabla g. O escalar λ\lambda é o multiplicador de Lagrange e mede a sensibilidade do ótimo ao afrouxamento da restrição.

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Rigorous notation, full derivation, hypotheses

Teorema de Lagrange e condições necessárias

Enunciado

Seja f,g:URnRf, g: U\subset\mathbb{R}^n\to\mathbb{R} de classe C1C^1. Se x\mathbf{x}^* é extremo de ff restrito à superfície S={g(x)=0}S = \{g(\mathbf{x})=0\}, e g(x)0\nabla g(\mathbf{x}^*)\neq\mathbf{0} (ponto regular da restrição), então existe λR\lambda\in\mathbb{R} tal que:

f(x)=λg(x)\nabla f(\mathbf{x}^*) = \lambda\,\nabla g(\mathbf{x}^*)

Prova (esboço): em x\mathbf{x}^*, qualquer direção tangente v\mathbf{v} à superfície (gv=0\nabla g\cdot\mathbf{v} = 0) deve satisfazer fv=0\nabla f\cdot\mathbf{v} = 0 (caso contrário ff poderia aumentar/diminuir ao longo de SS). Logo fTxS\nabla f \perp T_{\mathbf{x}^*}S, e como g\nabla g também é normal a SS, eles são paralelos.

Sistema de equações

Para otimizar f(x1,,xn)f(x_1,\ldots,x_n) com g(x1,,xn)=0g(x_1,\ldots,x_n) = 0, resolva as n+1n+1 equações:

fxi=λgxi,i=1,,n;g(x)=0\frac{\partial f}{\partial x_i} = \lambda\frac{\partial g}{\partial x_i},\quad i=1,\ldots,n;\qquad g(\mathbf{x}) = 0

nas n+1n+1 incógnitas x1,,xn,λx_1,\ldots,x_n,\lambda.

Interpretação do multiplicador

λ=fc\lambda = \dfrac{\partial f^*}{\partial c} onde f=max{f:g(x)=c}f^* = \max\{f : g(\mathbf{x}) = c\}: o multiplicador mede quanto o ótimo muda ao relaxar a restrição g=0g = 0 para g=cg = c.

Lagrangiano

L(x1,,xn,λ)=f(x1,,xn)λg(x1,,xn)\mathcal{L}(x_1,\ldots,x_n,\lambda) = f(x_1,\ldots,x_n) - \lambda\, g(x_1,\ldots,x_n)

Pontos críticos de L\mathcal{L} em relação a todas as variáveis (incluindo λ\lambda) reproduzem as condições de Lagrange: L/xi=0\partial\mathcal{L}/\partial x_i = 0 e L/λ=g=0\partial\mathcal{L}/\partial\lambda = -g = 0.

Exemplos resolvidos


Exercícios

Bloco A — Aplicação do método

Bloco B — Problemas geométricos e físicos

Bloco C — Nível ITA/USP

To continue

  • Stewart, J. — Cálculo, vol. 2, §14.8 — Cengage, 8ª ed.
  • Guidorizzi, H.L. — Um Curso de Cálculo, vol. 2, §5.3 — LTC, 5ª ed.
  • Apostol, T.M. — Calculus, vol. 2, §9.5–9.6 — Wiley, 2ª ed.
  • Thomas, G.B. — Cálculo, vol. 2, §14.8 — Pearson, 14ª ed.
  • Lima, E.L. — Análise no Espaço Rⁿ, §6 — IMPA, 3ª ed.

Updated on 2026-05-28 · Author(s): Clube da Matemática

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