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Matemáticas para ingeniería

Multiplicadores de Lagrange y condiciones KKT

Una restricción puede impedir movernos hacia el mínimo que tendría una función libre. En ese caso no pedimos que el objetivo deje de cambiar en cualquier dirección: solo importan los movimientos permitidos. Los multiplicadores expresarán ese equilibrio, y las condiciones KKT reunirán las comprobaciones que necesita un candidato con desigualdades.

1. En la frontera importan las direcciones factibles, no todos los movimientos

Sin restricciones, un mínimo interior diferenciable tiene gradiente cero. Sobre una igualdad h=0, los movimientos siguen su superficie. Si los gradientes de las igualdades son independientes, describen las normales de una superficie regular local; los movimientos tangentes son perpendiculares a esas normales.

La frontera puede detener la mejora antes del mínimo sin restricciones
Restricción: x≥2f(x)=(x−1)²123Mínimo factible: x=2El gradiente allí no es cero.
La parábola sin restricción se minimiza en uno, que no está permitido. La zona sombreada representa x≥2 dentro de la ventana mostrada. El menor valor factible se alcanza en dos, con f=1 y f′=2, aunque la derivada no se anule.

En un mínimo regular con igualdades, la derivada del objetivo se anula en las direcciones tangentes. Por ello su gradiente pertenece al espacio generado por las normales. Puede ser distinto de cero. Las desigualdades añaden direcciones permitidas solo hacia uno de los lados y exigirán signos adecuados en sus multiplicadores.

Una frontera detiene la mejora antes de la tangente horizontal

Minimizar f(x)=(x−1)² sujeto a x≥2.

  1. Sin restricción

    La función se minimiza en uno, pero no es factible.

  2. Región permitida

    Para x≥2, x−1≥1 y f(x)≥1.

    El punto dos alcanza uno.

  3. Derivada

    f′(2)=2≠0.

    Desde dos, ir a la izquierda mejoraría el objetivo, pero viola la restricción.

Resultado

El mínimo factible está en dos con derivada no nula.

Lo comprobamos

El gradiente cero era una condición para un mínimo interior sin restricciones.

Una igualdad exige cambiar dos coordenadas juntas

Minimizar u²+v² con u+2v=5.

  1. Movimiento tangente

    Si variamos en dirección d, debe cumplir d₁+2d₂=0; la normal es (1;2).
  2. Cota global

    Cauchy–Schwarz da (u+2v)²≤5(u²+v²), así el objetivo factible es al menos cinco.

  3. Alcanzar

    (1;2) cumple la igualdad y da cinco.

    Allí ∇f=(2;4), paralelo a la normal.
Resultado

El gradiente no desaparece: equilibra la normal de la restricción.

Lo comprobamos

La cota directa ya comprueba el mínimo sin depender de una receta de multiplicadores.

2. La lagrangiana expresa el equilibrio con una convención de signos fija

Para minimizar f con igualdades hⱼ=0 y desigualdades gᵢ≤0, fijamos L=f+Σλⱼhⱼ+Σμᵢgᵢ. Los λ son libres de signo y los μ no negativos. La estacionariedad es ∇ₓL=0: se deriva respecto de las decisiones, manteniendo los multiplicadores como coeficientes.

En el mínimo restringido el gradiente puede ser una normal no nula
Restricción: u+2v=5Objetivo: u²+v²Candidato: (1;2)(1;2)2,505∇f=(2;4)=2(1;2)Normal: ∇h=(1;2)
La recta impone u+2v=5. El punto (1,2) es el más próximo al origen y da objetivo cinco. Su gradiente (2,4) es paralelo a la normal (1,2) de la recta. Se muestra el sector del primer cuadrante de la curva de nivel u²+v²=5, a la misma escala en ambos ejes.

Las restricciones originales no desaparecen. Los multiplicadores son incógnitas adicionales y las ecuaciones del problema siguen formando parte del sistema. Si cambiamos x≥a a la forma g=a−x≤0, su derivada lleva signo menos; escribir g=x−a describiría otro lado de la frontera.

Resolver el equilibrio de una recta normal

Mismo problema: min u²+v² con h=u+2v−5=0.

  1. Lagrangiana

    L=u²+v²+λ(u+2v−5).
  2. Estacionariedad

    2u+λ=0 y 2v+2λ=0, así u=−λ/2 y v=−λ.
  3. Conservar igualdad

    u+2v=5 da −5λ/2=5, de donde λ=−2, u=1, v=2.
Resultado

El multiplicador de igualdad es −2, permitido por ser libre.

Lo comprobamos

El dibujo muestra ∇f=−λ∇h; no se exige que ambos gradientes se anulen.

El signo de una desigualdad determina el equilibrio

Min f(x)=(x−1)² con x≥2.

  1. Forma elegida

    g(x)=2−x≤0; L=(x−1)²+μ(2−x), μ≥0.
  2. Gradiente

    ∂L/∂x=2(x−1)−μ.
  3. En la frontera

    x=2 exige μ=2, no −2.
    Es compatible con el signo dual y g=0.
Resultado

El signo menos procede de derivar 2−x.

Lo comprobamos

Resolver solo esta ecuación aún exige revisar factibilidad y complementariedad.

3. Las cuatro partes de KKT se revisan por separado

Factibilidad primal: h=0 y g≤0.
Factibilidad dual: μ≥0.
Estacionariedad: ∇ₓL=0.
Complementariedad: μᵢgᵢ=0 para cada desigualdad.

Todas deben cumplirse en el mismo punto y con los mismos multiplicadores; ninguna sustituye a las otras.

Si gᵢ<0, hay holgura y complementariedad obliga μᵢ=0.
Si gᵢ=0, el multiplicador puede ser positivo o cero.

Actividad no equivale a positividad estricta; esa condición adicional se llama complementariedad estricta y no se presupone.

Una restricción inactiva deja multiplicador cero

Minimizar (x−3)² sujeto a x≥1; g=1−x.

  1. Punto

    x*=3 es factible y g(3)=−2<0.
  2. Complementariedad y signo

    μ·(−2)=0 obliga μ=0, que es no negativo.
  3. Estacionariedad y valor

    2(3−3)−0=0; el objetivo es cero.

    Se han revisado las cuatro condiciones.

Resultado

La restricción no está frenando la solución libre.

Lo comprobamos

No forzamos g=0 en todas las desigualdades: aquí daría un candidato incorrecto.

Una restricción activa también puede tener multiplicador cero

Minimizar (x−2)² sujeto a x≥2; g=2−x.

  1. Punto

    x*=2 cumple g=0 y da objetivo cero.
  2. Estacionariedad

    2(x−2)−μ=0 obliga μ=0 en ese punto.
  3. Restantes condiciones

    μ≥0 y μg=0 se cumplen; la restricción está activa aunque su multiplicador no sea positivo.

Resultado

KKT permite actividad con multiplicador cero.

Lo comprobamos

No se rechaza el punto por faltar complementariedad estricta, que no se había exigido.

4. Para exigir multiplicadores a un óptimo necesitamos una cualificación

Con funciones C¹, una condición suficiente de regularidad es que los gradientes de las igualdades y las desigualdades activas sean linealmente independientes en el mínimo local. Se llama LICQ. Bajo ella existen multiplicadores KKT. Hay otras cualificaciones más débiles; LICQ no es una condición necesaria para que un punto particular tenga multiplicadores.

Sin una cualificación puede haber un mínimo sin ningún par KKT. Es una limitación de la representación diferencial de la frontera, no una prueba de que no exista mínimo. Se distingue garantizar multiplicadores desde un óptimo de comprobar suficiencia de un par KKT que ya hemos encontrado.

Una frontera degenerada puede ocultar un mínimo a la ecuación de gradientes

Min f(x)=2x con g(x)=x²≤0.

  1. Factibilidad

    Un cuadrado solo puede ser ≤0 en x=0; es el único punto y por tanto minimizador.

  2. Gradientes

    f′(0)=2 y g′(0)=0.
  3. Imposibilidad KKT

    Estacionariedad pediría 2+μ·0=0, imposible para cualquier μ.

    LICQ falla porque el gradiente activo es cero.

Resultado

Existe mínimo, pero no existen multiplicadores KKT con esta representación.

Lo comprobamos

No se concluye que las condiciones necesarias de un teorema se contradigan: sus hipótesis de regularidad no se cumplían.

El fallo de LICQ no impide siempre que KKT funcione

Min x² con x≥0 y 2x≥0.

  1. En el mínimo

    x*=0; ambas restricciones están activas.
  2. Dependencia

    En forma g₁=−x, g₂=−2x, los gradientes −1 y −2 son dependientes; LICQ falla.

  3. Multiplicadores válidos

    μ₁=μ₂=0 dan estacionariedad 0−0−0=0, signos correctos y complementariedad.

    La no negatividad del objetivo prueba el mínimo.

Resultado

LICQ era suficiente para garantizar necesidad, no una equivalencia.

Lo comprobamos

No se confunde redundancia de restricciones con inexistencia de un certificado.

5. En un problema convexo, un par KKT factible certifica un mínimo global

Supongamos f y cada gᵢ convexas diferenciables e igualdades afines.

Con μ≥0, L es convexa en las decisiones.
Su estacionariedad en x* implica L(z)≥L(x*) para todo z.

Por factibilidad y complementariedad, L(x*)=f(x*); para todo z factible, L(z)≤f(z).

Por tanto f(z)≥L(z)≥L(x*)=f(x*).

Esta prueba de suficiencia parte de un par KKT ya dado y no añade una cualificación para hacerlo suficiente. La regularidad se usa en la otra dirección: garantizar que un óptimo tenga esos multiplicadores. Sin convexidad, un punto KKT puede ser máximo o silla.

Completar cuadrados en la lagrangiana da un certificado explícito

Min (u−2)²+(v−1)² con u+v≤2 y u, v≥0.

  1. Candidato

    (u*; v*)=(3/2;1/2), multiplicador uno para u+v−2 y cero para −u,−v.
  2. KKT

    El gradiente objetivo es (−1;−1), que se cancela con (1;1). El punto es factible y los productos complementarios son cero.

  3. Cota

    L=(u−3/2)²+(v−1/2)²+1/2.
    En todo factible, f≥L≥1/2.
  4. Alcanzar

    En el candidato, f=1/2.

    Queda demostrado el mínimo global.

Resultado

Las cuatro condiciones producen una cota verificable.

Lo comprobamos

Las desigualdades de no negatividad están incluidas; sus multiplicadores son cero porque el punto tiene coordenadas positivas.

KKT sin convexidad puede describir un máximo

Minimizar −x² con x²−1≤0.

  1. Punto candidato

    x=0, μ=0 cumple factibilidad, signo dual, estacionariedad y complementariedad.

  2. Comparar

    El objetivo vale cero en ese punto y −1 en x=1 o x=−1.
  3. Diagnóstico

    Cero es un máximo sobre el intervalo factible. El objetivo es cóncavo, así no se cumplían las hipótesis de suficiencia convexa.

Resultado

Cumplir KKT no es un certificado universal de mínimo en problemas no convexos.

Lo comprobamos

Para |x|≤1, la cota −x²≥−1 confirma los mínimos globales en ambos extremos.

6. Slater garantiza una forma útil de regularidad en el marco convexo

En el caso de funciones convexas diferenciables en Rⁿ e igualdades afines, Slater pide un punto que satisfaga las igualdades y todas las desigualdades estrictamente. Con valor óptimo finito y las condiciones pertinentes de existencia, permite dualidad fuerte y multiplicadores. El punto estricto no tiene que ser óptimo.

Si hay dominios adicionales se necesitan versiones relativas y condiciones precisas. Slater no valida por sí solo un problema no convexo. Tampoco es una condición necesaria para que exista un certificado en cada caso: su fallo significa que no podemos usar esa garantía suficiente, no que todo certificado sea imposible.

Un punto interior puede justificar el uso del teorema sin ser la respuesta

Problema convexo anterior con u+v≤2, u, v≥0.

  1. Punto estricto

    (1/2;1/2) da u+v−2=−1, −u=−1/2 y −v=−1/2.
  2. Slater

    Las tres desigualdades son estrictas y no hay igualdades adicionales.

  3. No confundir con óptimo

    Su objetivo es 5/2, frente al mínimo 1/2 en (3/2;1/2). El papel del punto es demostrar regularidad.

Resultado

Regularidad y optimización son comprobaciones distintas.

Lo comprobamos

La existencia del mínimo en este ejemplo también puede demostrarse por continuidad en su región compacta.

Puede haber multiplicadores aunque no exista punto estrictamente factible

Minimizar x con x≤0 y −x≤0.

  1. Región

    Solo x=0 es factible; no se pueden cumplir simultáneamente x<0 y −x<0.
  2. KKT

    Con μ₁=0, μ₂=1, la estacionariedad es 1+μ₁−μ₂=0.
  3. Certificado

    Los signos son no negativos, ambos productos complementarios valen cero y el único valor factible es cero.

Resultado

Slater falla, pero existe un par KKT óptimo.

Lo comprobamos

No se transforma una hipótesis suficiente en una condición necesaria para todos los modelos.

7. Elegir casos activos genera candidatos que después debemos clasificar

En un problema pequeño podemos suponer qué desigualdades están activas. Para ellas imponemos g=0; para las restantes, μ=0. Resolvemos estacionariedad y las igualdades y después verificamos todos los signos, dominios y restricciones. Si algo falla, descartamos ese caso.

En problemas no convexos, los candidatos requieren clasificación adicional. El segundo orden restringido usa la Hessiana de L sobre las direcciones tangentes o el cono crítico apropiado. La Hessiana del objetivo por sí sola puede omitir precisamente la curvatura de la restricción.

Resolver los dos regímenes de una cota superior

Minimizar (x−a)² sujeto a x≤1; a es un parámetro fijo.

  1. Caso inactivo

    μ=0 da x=a, permitido con holgura si a<1.
  2. Caso activo

    x=1 da 2(1−a)+μ=0, así μ=2(a−1), válido si a≥1.
  3. Dos datos

    Con a=0, x*=0, μ=0.
    Con a=3, x*=1, μ=4 y objetivo cuatro.
    En a=1 la frontera lleva multiplicador cero.
Resultado

La fórmula conjunta es x*=min(a;1), μ=2max(a−1;0).

Lo comprobamos

La convexidad convierte los candidatos que pasan las comprobaciones en mínimos globales.

La curvatura de la restricción distingue mínimo y máximo

Minimizar x sobre la circunferencia h=x²+y²−1=0.

  1. Candidatos

    L=x+λh.
    Las ecuaciones 1+2λx=0 y 2λy=0 dan (−1;0), λ=1/2 y (1;0), λ=−1/2.
  2. Direcciones tangentes

    En ambos puntos son d=(0; t).

    La Hessiana de L es 2λI.

  3. Clasificar

    En (−1;0), dᵀH_Ld=t²>0 para t≠0: mínimo restringido.

    En (1;0) es −t²: máximo.

  4. Control global

    En la circunferencia −1≤x≤1, así los valores mínimo −1 y máximo uno quedan confirmados.

Resultado

El objetivo lineal tiene Hessiana cero, pero la lagrangiana sí refleja la curvatura relevante.

Lo comprobamos

La igualdad es regular en la circunferencia; no se aplicó un criterio de segundo orden en una frontera degenerada.

8. El informe final incluye punto, multiplicadores, valor y alcance de la interpretación

Una respuesta completa conserva el convenio de signos, comprueba cada condición y comunica el objetivo. Una desigualdad directa puede confirmar el mínimo de manera independiente. Si solo hay una aproximación, se informan residuos de factibilidad y estacionariedad con tolerancias adecuadas, sin presentarlos como exactitudes.

Interpretar un multiplicador como sensibilidad necesita condiciones de regularidad y estabilidad de la solución. Con g(x, b)=a(x)−b≤0 en minimización, la derivada del valor respecto de la cota suele ser −μ bajo esas condiciones. Es una afirmación local de primer orden; cambiar de régimen activo puede cambiar la fórmula.

Comprobar un certificado de principio a fin

Minimizar (x+1)² sujeto a x≥0.

  1. Convenio y punto

    g=−x≤0; elegimos x*=0 y μ=2.
  2. Cuatro condiciones

    g=0, μ≥0, 2(x+1)−μ=0 y μg=0 se cumplen en ese par.
  3. Valor y garantía

    f(0)=1.

    Para todo x≥0, (x+1)²=1+2x+x²≥1, lo que confirma el mínimo global.

Resultado

El punto es cero, el multiplicador dos y el valor mínimo uno.

Lo comprobamos

Los números del multiplicador dependen de cómo se haya escalado la restricción; la convención se conserva al interpretarlo.

Una sensibilidad local no es una igualdad para todo cambio de capacidad

En el problema de dos variables anterior, cambiamos u+v≤2 por u+v≤b, cerca de b=2.

  1. Régimen 1<b<3

    La solución es u=(b+1)/2, v=(b−1)/2 y μ=3−b; ambas coordenadas siguen positivas.
  2. Valor

    V(b)=(3−b)²/2, así V′(2)=−1=−μ(2).
  3. Cambio finito

    b=2,1 da V=0,405 frente a 0,5.

    El cambio exacto es −0,095; la predicción lineal es −0,1 y falta el término 0,1²/2=0,005.

  4. Otro régimen

    Para b≥3, (2;1) ya es factible, V=0 y el multiplicador puede ser cero. No extendemos la fórmula cuadrática anterior sin revisar actividad.

Resultado

Relajar la capacidad reduce el coste a una tasa local ligada al multiplicador.

Lo comprobamos

Se han declarado el intervalo de validez y el término que distingue aproximación lineal de cambio exacto.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una igualdad

Minimiza x²+y² sujeto a x+y=2.

  1. Problema y convenio

    Min f=x²+y² con h=x+y−2=0; L=f+λh.
  2. Estacionariedad

    2x+λ=0 y 2y+λ=0, por lo que x=y.
  3. Factibilidad

    x+y=2 da x=y=1.
  4. Multiplicador y valor

    λ=−2 y f(1,1)=2.
  5. Garantía convexa

    La suma de cuadrados es convexa y la igualdad afín; el par estacionario factible certifica mínimo global.

  6. Control independiente

    x²+y²=((x+y)²+(x−y)²)/2=2+(x−y)²/2≥2 en la recta.
    Solo se alcanza con x=y=1.
Resultado

Mínimo 2 en (1,1).

Lo comprobamos

x²+y²=((x+y)²+(x−y)²)/2≥2 cuando x+y=2.

EJEMPLO RESUELTO 2

Una desigualdad activa

Minimiza x² con x≥1.

  1. Problema

    Min x² con x≥1; escribimos g=1−x≤0.
  2. Lagrangiana

    L=x²+μ(1−x), μ≥0.
  3. Candidato activo

    x*=1 da g=0.
    La estacionariedad 2x−μ=0 exige μ=2.
  4. Comprobar KKT

    x es factible, μ no negativo y μg=0; también se anula el gradiente de L.
  5. Valor

    El objetivo es uno.

  6. Certificar

    Para todo factible x≥1, x²≥1.

    La convexidad y el control directo confirman el mínimo global en uno.

Resultado

Mínimo 1 en x=1.

Lo comprobamos

Todo factible x≥1 satisface x²≥1.

Los símbolos que hemos usado

hⱼ(x)=0
Restricción de igualdad.
gᵢ(x)≤0
Convención de desigualdad usada para minimizar.
λⱼ
Multiplicador de igualdad, libre de signo.
μᵢ≥0
Multiplicador de desigualdad bajo la convención L=f+μᵀg+λᵀh.
Activa
Restricción de desigualdad que cumple gᵢ(x)=0.
Complementariedad
Producto μᵢgᵢ(x)=0 para cada desigualdad.
Cualificación
Hipótesis de regularidad que permite concluir necesidad de multiplicadores.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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