\( \def\vec#1{\bf{\underline{#1}}} \) Ein Optimierungsproblem mit Nebenbedingungen kann eventuell durch Substitution in ein Optimierungsproblem ohne Nebenbedingung überführt und gelöst werden.Dies gelingt vorallem bei formal einfach strukturierten Optimierungsproblemen. Mit Hilfe der Nebenbedingung kann eine Variable (bzw. mehrere Variablen) durch die restlichen Variablen ausgedrückt werden. Dadurch wird die Anzahl der unabhängigen Variablen in der Zielfunktion verringert.
Beispiel
Die Nachfrage nach Gut 1 und Gut 2 für die Nutzenfunktion $U(x_1,x_2) = x_1 \cdot x_2$ soll durch Substitution ermittelt werden. Das Einkommen des betrachteten Individuums sei $E=10$ und die Marktpreise $p_1 = 2$, $p_2 = 1$ sind. Aus der Budgetgerade $2x_1 + 1x_2 = 10$ ergibt sich: \begin{eqnarray} x_2 = 10-2x_1 \qquad (*) \end{eqnarray} Eingesetzt in die Nutzenfunktion folgt: \begin{eqnarray*} U(x_1, x_2) &\rightarrow& \max\\ x_1 \cdot (10-2x_1) & \rightarrow & \max \\ 10x_1 - 2x_1^2\hfill & \rightarrow & \max \\ \frac{d(10x_1 - 2x_1^2)}{dx_1}\hfill & = &10 - 4x_1 \buildrel \rm !\over = 0 \end{eqnarray*} Die Lösung für $x_1$ ist somit: \begin{equation*} x_1 = 2,5 \end{equation*} Durch Einsetzen des Wertes von $x_1$ in Gleichung (*) wird die Lösung für $x_2$ ermittelt: \begin{equation*} x_2 = 10 - 2 \cdot 2,5 = 5 \end{equation*}
Das folgende Beispiel demonstriert, dass das Einsetzen der Nebenbedingung in die Zielfunktion und damit die Reduktion der Anzahl der Variablen benutzt werden kann, um allgemeine Optimierungsbedingungen herzuleiten.
Beispiel Gegeben sei die Nutzenfunktion $$U(x_1,x_2)$$ und die Budgetbedingung $p_1x_1 + p_2x_2 = E$. Zeigen Sie durch Einsetzen der Budgetgerade in die Zielfunktion, dass im Haushaltsoptimum das 2. Gossensche Gesetz gilt. Die sich aus Zielfunktion und Budgetbedingung ergebende Funktion kann mit Hilfe der (verallgemeinerten) Kettenregel (Vgl. \cite[S. 7-13ff]{tietze:2003}) abgeleitet werden. Es gilt: $$x_2 = {E\over p_2} - {p_1\over p_2} x_1$$ also $$x_2 = x_2(x_1)$$
Eingesetzt in die Nutzenfunktion ergibt sich: $$U(x_1, x_2 (x_1))$$ Diese nur von $x_1$ abhängige Nutzenfunktion wird nach $x_1$ abgeleitet: \begin{equation} {\partial U\over \partial x_1} + {\partial U\over \partial x_2} \cdot {dx_2\over dx_1} \buildrel \rm ! \over = 0 \qquad (+) \end{equation} Da im Haushaltsoptimum die Steigung der Indifferenzkurve (${dx_2\over dx_1}$) gleich der Steigung der Budgetgerade ($- {p_1\over p_2}$) ist (vgl. Reiß "Mikroökonomische Theorie: Historisch fundierte Einführung", S. 270f [reiss:2007]) gilt: $${dx_2\over dx_1} = - {p_1\over p_2}$$ Eingesetzt in Gleichung (+) ergibt dies: \begin{eqnarray*} {\partial U\over \partial x_1} + {\partial U\over \partial x_2} \cdot (-{p_1\over p_2}) & = & 0 \\ {\partial U\over \partial x_1}\hfill &= &{\partial U\over \partial x_2} \cdot {p_1\over p_2}\\ {{\partial U\over \partial x_1}\over p_1} \hfill &= &{{\partial U\over \partial x_2}\over p_2} \end{eqnarray*}
Das letzte Beispiel lässt erkennen, dass die Lösung solcher Aufgaben durch Variablensubstitution bei komplizierten Zielfunktionen und eventuell vielen Nebenbedingungen vergleichsweise schwierig bis unmöglich wird.

Bestehen komplizierte Zielfunktion oder vielen Nebenbedingungen wird in der Ökonomie die nach dem französischen Mathematiker Joseph Louis Lagrange (1736-1813) benannte Lagrange-Methode angewandt. Mit der Lagrangemethode steht ein Algorithmus zur Verfügung, mit welchem in der Regel ein Optimierungsproblem der Form
\begin{eqnarray*} F(\vec{x})&\rightarrow& \max\\ g_1(\vec{x})&=& 0\\ &\vdots& \\ g_m(\vec{x}) &=& 0\\ \\ \vec{x} \in \mathbb{R}^{n}, m < n \end{eqnarray*}
gelöst werden kann. Vorteile der Lagrange-Methode sind die einfachere Handhabung und ein besserer Einblicke in die Struktur und Lösung des Optimierungsproblem.