- •664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83
- •1.Основные определения вариационного исчисления
- •2.Необходимые условия экстремума функционала
- •3.Вариационные задачи с подвижными концами
- •4.Ломаные экстремали
- •5.Функционалы, зависящие от нескольких функций
- •6.Задачи с функционалом, содержащим производные высших порядков
- •7.Условный экстремум
- •9.Оптимальное управление
- •8.Каноническая форма уравнений эйлера
- •10.Дифференциальные игры
- •11.Методы решения. Прямые методы
- •12.Методы решения. Метод множителей лагранжа
- •13.Методы решения. Принцип максимума
- •14.Методы решения. Динамическое программирование
10.Дифференциальные игры
Многие задачи управления, экономики и техники формализуются в виде дифференциальных игр.
Состояние
физического процесса или объекта
характеризуется переменными состояния
,
изменение которых описывается системой
обыкновенных дифференциальных уравнений
или векторным дифференциальным уравнением
,
где
-
точка
мерного
фазового пространства
,
которая определяет состояние процесса
и которая принадлежит области
;
и
- управляющие параметры первого и второго
игроков, которые принадлежат соответственно
замкнутым ограниченным множествам
и
в евклидовых пространствах
и
:
;
действительная
вектор-функция, определенная на прямом
произведении
.
Управляющие
параметры
и
,
которые выбираются в каждый момент
времени
в зависимости от состояния процесса
,
принято называть стратегиями игроков.
Стратегии игроков
и
определены на
,
принимают значения соответственно из
и
и обычно выбираются из условия оптимизации
некоторого критерия, который называется
платой.
Решение
системы обыкновенных дифференциальных
уравнений (10.1) при выбранных стратегиях
и
с начальными условиями
,
где
момент
начала игры, называется траекторией
или партией, которая начинается в точке
и обозначается как
.
Развитие игры происходит в области
,
которой принадлежат все траектории.
игра считается оконченной, когда точка
достигает терминального многообразия
.
Плата может быть задана для широкого класса игр в форме
,
где
заданная
функция, определенная на
;
-
функция конечного состояния, определенная
на терминальном многообразии
.
Интегрирование производится вдоль
траектории от момента начала игры
до момента окончания , соответствующего
моменту достижения точкой
терминального многообразия
.
В случае
плата
называется интегральной, а при
- терминальной.
Обычно в дифференциальных играх цели игроков считаются противоположными, а в качестве выбора стратегий и принимают принцип минимакса, т.е. первый игрок формирует стратегию , минимизирующую плату при условии максимизации платы вторым игроком
,
а второй игрок формирует стратегию , максимизирующую плату при условии минимизации платы первым игроком
.
Стратегии
и
называются оптимальными, если выполняется
соотношение
= =
=
.
Выполнение этого условия свидетельствует о наличии седловой точки игры, которая обладает тем свойством, что любое отклонение от оптимальной стратегии одним игроком приводит к потерям в плате при условии выбора оптимальной стратегии другим игроком
,
.
Плата , соответствующая оптимальным стратегиям и , называется ценой игры.
Основная задача дифференциальных игр заключается в определении цены игры, оптимальных стратегий игроков и траекторий, соответствующих оптимальным стратегиям. Данная постановка задачи относится к классу дифференциальных игр двух игроков с нулевой суммой, когда выигрыш одного игрока равен проигрышу другого. Дифференциальные игры являются наиболее общим классом оптимизационных задач. Например, задачи оптимального управления могут рассматриваться как частный случай дифференциальной игры с одним игроком. Это утверждение следует из непосредственного сравнения постановок задачи оптимального управления (9.1),(9.2), т.е.
и дифференциальной игры (10.1), т.е.
,
из которой исключаются управляющие параметры второго игрока. если учесть, что задачи оптимального управления, как показано выше, могут рассматриваться как обобщенное вариационное исчисление, то между дифференциальными играми, оптимальным управлением и вариационными задачами существует связь в отношении их математических моделей.
Дифференциальные игры являются наиболее универсальной моделью динамических оптимизационных задач, которые требуют применения наиболее сложных методов и средств моделирования.
На
примере задачи перехода корабля из
заданного начального состояния в
конечное за минимальное время, которая
рассматривалась выше, покажем связь
задач оптимального управления и
дифференциальных игр. Если о компонентах
вектора скорости течения ничего
неизвестно, кроме ограничений
,
,
где
и
- известные граничные значений допустимой
скорости течения, то задача оптимального
управления переходит в класс
дифференциальных игр. В качестве первого
игрока может рассматриваться судоводитель,
выбирающий оптимальный курс корабля
,
а второй игрок – это неизвестные
воздействия
и
природных сил в виде течения, которому
можно приписать целенаправленное
поведение, максимизирующее время
перехода корабля из начального положения
в конечное. Если судоводитель будет
выбирать оптимальный курс корабля из
решения дифференциальной игры, то он
гарантирует оптимальный по времени
переход корабля в заданную конечную
точку при любом законе изменения скорости
течения вдоль траектории движения. Если
закон изменения скорости течения
известен, то оптимальный курс необходимо
выбирать из решения задачи оптимального
управления.
