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Lição 14 — Lagrange com Múltiplas Restrições e Aplicações

Multiplicadores de Lagrange com várias restrições: condição de independência linear dos gradientes, sistemas sobredeterminados, condições KKT para desigualdades e aplicações em engenharia.

Usado em: Cálculo 3 — Unidade 2 · USP MAT0216 · ITA MA-013

∇f=λ1∇g1+⋯+λm∇gm;gi(x)=0,  i=1,…,m;m<n\nabla f = \lambda_1\nabla g_1+\cdots+\lambda_m\nabla g_m;\quad g_i(\mathbf{x})=0,\;i=1,\ldots,m;\quad m<n

Com mm restrições de igualdade em Rn\mathbb{R}^n, o gradiente de ff no extremo é combinação linear dos gradientes das restrições, com mm multiplicadores λi\lambda_i. Os gradientes ∇gi\nabla g_i devem ser linearmente independentes.

Escolha sua porta

Notação rigorosa, derivação completa, hipóteses

Caso geral com m restrições

Teorema de Lagrange (caso geral)

Seja f:U⊂Rn→Rf: U\subset\mathbb{R}^n\to\mathbb{R} e gi:U→Rg_i: U\to\mathbb{R} (i=1,…,mi=1,\ldots,m) de classe C1C^1, com m<nm < n.

Se x∗\mathbf{x}^* é extremo condicionado de ff sobre M={g1=0,…,gm=0}M = \{g_1 = 0,\ldots, g_m = 0\}, e os gradientes ∇g1(x∗),…,∇gm(x∗)\nabla g_1(\mathbf{x}^*),\ldots,\nabla g_m(\mathbf{x}^*) são linearmente independentes, então existem λ1,…,λm∈R\lambda_1,\ldots,\lambda_m\in\mathbb{R} tais que:

∇f(x∗)=∑i=1mλi∇gi(x∗)\nabla f(\mathbf{x}^*) = \sum_{i=1}^m \lambda_i \nabla g_i(\mathbf{x}^*)

Lagrangiano generalizado

L(x,λ)=f(x)−∑i=1mλigi(x)\mathcal{L}(\mathbf{x},\boldsymbol{\lambda}) = f(\mathbf{x}) - \sum_{i=1}^m\lambda_i g_i(\mathbf{x})

Equações de otimalidade: ∇xL=0\nabla_\mathbf{x}\mathcal{L} = 0 e gi(x)=0g_i(\mathbf{x}) = 0 para i=1,…,mi=1,\ldots,m.

Isso gera n+mn+m equações para n+mn+m incógnitas (x,λ)(\mathbf{x},\boldsymbol{\lambda}).

Condições KKT (restrições de desigualdade)

Para f(x)→min⁡f(\mathbf{x})\to\min com gi(x)≤0g_i(\mathbf{x})\leq 0 (i=1,…,mi=1,\ldots,m) e hj(x)=0h_j(\mathbf{x})=0 (j=1,…,pj=1,\ldots,p):

∇f=∑λi∇gi+∑μj∇hj;λi≥0;λigi(x∗)=0\nabla f = \sum\lambda_i\nabla g_i + \sum\mu_j\nabla h_j;\qquad \lambda_i\geq 0;\qquad \lambda_i g_i(\mathbf{x}^*) = 0

A condição λigi=0\lambda_i g_i = 0 é a complementaridade: λi>0\lambda_i > 0 somente se gi=0g_i = 0 (restrição ativa).

Exemplos resolvidos


Exercícios

Bloco A — Múltiplas restrições

Bloco B — Problemas aplicados

Bloco C — Nível ITA/USP

Para continuar

  • 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.
  • Lima, E.L. — Análise no Espaço Rⁿ, §6 — IMPA, 3ª ed.
  • Kreyszig, E. — Advanced Engineering Mathematics, §9.8 — Wiley, 10ª ed.

Atualizado em 2026-05-28 · Autor(es): Clube da Matemática

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