Lagrange Multiplier

이정훈·2026년 8월 24일

Lagrange Multiplier (라그랑주 승수법)

개념

  • 제약 조건 g(x)=0g(x) = 0 이 있는 상태에서 함수를 최적화하는 방법
  • g(x)=0g(x) = 0 위에 있으면서(교점), 그 점에서 ff의 등고선과 기울기까지 일치하는(접선 공유) 점을 동시에 찾음

Auxiliary Function

L(x,y,λ)=f(x,y)λg(x,y)\mathcal{L}(x, y, \lambda) = f(x, y) - \lambda g(x, y)

Multiple Constraints

제약 조건이 g1(x)=0, g2(x)=0, , gm(x)=0g_1(x) = 0,\ g_2(x) = 0,\ \dots,\ g_m(x) = 0 처럼 여러 개면, 각 제약조건의 기울기(gradient) gi\nabla g_i 들의 선형결합(가중합) 방향이 f\nabla f 방향과 같아지는 점을 찾으면 됨.

즉, 하나의 λ\lambda가 아니라 제약조건 개수만큼의 λi\lambda_i를 두고, 그 가중합이 ff의 기울기와 일치하는 지점을 구하는 것.

Auxiliary Function (일반형)

L(x,λ1,,λm)=f(x)i=1mλigi(x)\mathcal{L}(x, \lambda_1, \dots, \lambda_m) = f(x) - \sum_{i=1}^{m} \lambda_i \, g_i(x)

조건식

1. 정상점 조건 (기울기 일치)

xL=f(x)i=1mλigi(x)=0f(x)=i=1mλigi(x)\nabla_x \mathcal{L} = \nabla f(x) - \sum_{i=1}^{m} \lambda_i \nabla g_i(x) = 0 \quad\Longleftrightarrow\quad \nabla f(x) = \sum_{i=1}^{m} \lambda_i \, \nabla g_i(x)

2. 실행가능 조건 (모든 제약조건을 동시에 만족)

Lλi=gi(x)=0    gi(x)=0,i=1,,m\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \lambda_i} = -g_i(x) = 0 \implies g_i(x) = 0, \quad i = 1, \dots, m

기하학적 해석

  • 단일 제약조건일 때는 f\nabla fg\nabla g 가 같은 직선 위(스칼라배 관계)에 있어야 했음.
  • 제약조건이 여러 개면, f\nabla f 가 굳이 하나의 gi\nabla g_i와 평행할 필요는 없고, 모든 gi\nabla g_i 들이 만드는 부분공간(span) 안에 f\nabla f 가 들어가기만 하면 됨.
  • fspan(g1,g2,,gm)\nabla f \in \text{span}(\nabla g_1, \nabla g_2, \dots, \nabla g_m) 인 점이 후보점(critical point)이 됨.

예시: 두 제약조건 g1=0, g2=0g_1 = 0,\ g_2 = 0 의 교차선(curve) 위를 움직인다고 할 때, 그 교차선의 접선 방향은 g1\nabla g_1g2\nabla g_2 모두에 수직인 방향임. 최적점에서는 ff의 등고선도 이 접선 방향과 수직이어야 하므로, f\nabla f 역시 g1,g2\nabla g_1, \nabla g_2가 펼치는 평면 안에 놓이게 됨 — 그래서 f=λ1g1+λ2g2\nabla f = \lambda_1 \nabla g_1 + \lambda_2 \nabla g_2 형태로 표현되는 것.

예제 문제

minimize f(x,y)=ax+bysubject to g(x,y)=x2+y2r=0\text{minimize } f(x, y) = ax + by \quad \text{subject to } g(x, y) = x^2 + y^2 - r = 0

1. 교차점 조건 (제약조건 곡선 위의 점)

Lx=fxλgx=0\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial x} = \frac{\partial f}{\partial x} - \lambda \frac{\partial g}{\partial x} = 0
Ly=fyλgy=0\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial y} = \frac{\partial f}{\partial y} - \lambda \frac{\partial g}{\partial y} = 0

2. 기울기 일치 조건 (접선 방향 일치)

Lλ=g(x,y)=0    g(x,y)=0\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \lambda} = -g(x, y) = 0 \implies g(x, y) = 0

풀이 과정

1단계 — 라그랑지안 구성

L(x,y,λ)=ax+byλ(x2+y2r)\mathcal{L}(x, y, \lambda) = ax + by - \lambda (x^2 + y^2 - r)

2단계 — 편미분 = 0

Lx=a2λx=0    x=a2λ\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial x} = a - 2\lambda x = 0 \implies x = \frac{a}{2\lambda}
Ly=b2λy=0    y=b2λ\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial y} = b - 2\lambda y = 0 \implies y = \frac{b}{2\lambda}
Lλ=(x2+y2r)=0    x2+y2=r\frac{\partial \mathcal{L}}{\partial \lambda} = -(x^2 + y^2 - r) = 0 \implies x^2 + y^2 = r

3단계 — 대입해서 λ\lambda 구하기

x,yx, y를 세 번째 식에 대입:

(a2λ)2+(b2λ)2=r\left( \frac{a}{2\lambda} \right)^2 + \left( \frac{b}{2\lambda} \right)^2 = r
a2+b24λ2=r    λ=±a2+b22r\frac{a^2 + b^2}{4\lambda^2} = r \implies \lambda = \pm \frac{\sqrt{a^2 + b^2}}{2\sqrt{r}}

4단계 — 최적점

x=a2λ,y=b2λx = \frac{a}{2\lambda}, \qquad y = \frac{b}{2\lambda}
  • λ=a2+b22r\lambda = -\dfrac{\sqrt{a^2+b^2}}{2\sqrt{r}} (음수) → (x,y)=r(a,b)a2+b2(x, y) = -\sqrt{r} \cdot \dfrac{(a, b)}{\sqrt{a^2+b^2}}최솟값
  • λ\lambda가 양수인 경우 → 반대 방향 → 최댓값

최솟값

fmin=ax+by=ra2+b2=r(a2+b2)f_{\min} = ax + by = -\sqrt{r} \cdot \sqrt{a^2 + b^2} = -\sqrt{r(a^2 + b^2)}

기하학적 해석

최솟값을 주는 점은 원 위에서 (a,b)(a, b)와 정반대 방향에 있는 점이며, 그 지점에서 f=(a,b)\nabla f = (a, b)g=2(x,y)\nabla g = 2(x, y)가 (음의 λ\lambda를 매개로) 같은 직선 위에 놓이게 된다.

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