- •1. Задачи математического программирования называются также статическими задачами оптимизации.
- •2. Определение. Переменная величина называется функционалом от функции , если каждой функции из некоторого множества функций соответствует определенное значение .
- •4. Простейшей задачей вариационного исчисления называется задача об экстремуме функционала вида (2.1) с граничными условиями: , .
- •5. . Для того чтобы функционал
- •6. Изопериметрическими задачами, в узком смысле этого слова, называются задачи об отыскании геометрической фигуры максимальной площади при заданном периметре.
- •7. Исследуем на экстремум функционал, зависящий от функций,
- •8. 2.5. Основная формула для вариации функционала
- •12. Введем новые переменные и преобразуем основную формулу для вариации функционала (2.11):
- •15.Выражение для выражение для второй вариации принимает вид
- •18. Введение игольчатой вариации управления [1] позволило получить необходимое условие минимума функционала при ограничениях на управление.
- •19. Следующее дифференциальное уравнение для вектора – функции :
- •6. Окончательно задача оптимального управления приводится к краевой задаче для системы обыкновенных дифференциальных уравнений
- •24. . Задача программирования оптимального управления
- •2. Задача синтеза оптимального управления
- •25. Рассмотрим следующую задачу синтеза оптимального управления линейной динамической системой
- •27. Доказательство принципа максимума было проведено без учета ограничений на вектор состояния. Рассмотрим теперь следующую постановку задача. Дана автономная динамическая система
- •29. Запишем уравнение Беллмана (4.4)
- •30. Рассмотрим решение задачи минимизации, когда функционал содержит только терминальный член: , .
- •31. Рассмотрим следующую задачу синтеза оптимального управления линейной динамической системой
- •32. Рассмотрим задачу оптимального управления дискретной динамической системой
- •33. Рассмотрим линейную дискретную систему
- •34. При решении задачи синтеза оптимального управления нелинейной динамической системой
- •39. Пусть имеется функция , определенная на множестве . Требуется найти
- •40. Пусть задана динамическая система
15.Выражение для выражение для второй вариации принимает вид
.
(2.38)
Из
выражения (2.38) следует, что знак второй
вариации определяется знаком производной
.
Следовательно, необходимым условием
слабого минимума функционала
является условие
.
(2.39)
Это условие называется условием Лежандра.
Замечание.
Для случая функционалов, зависящих от
функций
,
условие Лежандра сводится к требованию
положительной определенности матрицы
.
Условие Лежанжра, как и уравнение Эйлера, носит локальный характер, т.е. относится не к кривой в целом, а к ее отдельным точкам, поэтому не является достаточным для экстремума (минимума или максимума).
Неотрицательность второй вариации необходима, но не достаточна для того, чтобы функционал достигал на кривой своего минимума. Дополнительное требование заключается в том, чтобы экстремаль была включена в поле экстремалей, т.е. принадлежала бы семейству экстремалей, не имеющих сопряженных точек на отрезке .
Сформулируем систему условий, необходимых и достаточных для того, чтобы допустимая кривая реализовала слабый минимум функционала . Эта совокупность условий состоит в следующем.
1. является экстремалью, т.е. удовлетворяет уравнению Эйлера:
.
2. Вдоль кривой выполняется усиленное условие Лежандра
.
3.
Отрезок
не содержит точек, сопряженных с начальной
точкой
(условие Якоби).
16. Рассмотрим функционал , и получим для него условия сильного минимума.
Определение.
Функцией Вейерштрасса
функционала
называется выражение
,
(2.40)
где
- наклон поля экстремалей.
Функция представляет собой разность между значением и первыми двумя членами в ее разложении в ряд Тейлора..
Предположим, что в простейшей задаче об экстремуме функционала условие Якоби выполнено и, следовательно, экстремаль , проходящая через граничные точки, может быть включена в центральное поле, наклон которого равен . Можно показать [1], что в этом случае приращение функционала приводится к выражению
.
(2.41)
Очевидно,
что достаточным условием достижения
функционалом
на кривой
минимума будет неотрицательность
функции
,
а достаточным условием максимума
неположительность функции
.
Это условие называется условием
Вейерштрасса. При этом для слабого
минимума достаточно, чтобы неравенство
выполнялось при значениях
и
,
близких к значениям
,
на
исследуемой экстремали, и при значенях
,
близких к
,
а для сильного минимума
при произвольных
.
Следовательно, необходимыми и достаточными условиями сильного экстремума в этом случае будут следующие условия.
1. Кривая является экстремалью, удовлетворяющей граничным условиям и уравнению Эйлера.
2. Экстремаль может быть включена в поле экстремалей; сопряженные точки на отрезке отсутствуют.
3.
Функция
не меняет знака во всех точках
,
близких к
и для производных
(в случае минимума
,
максимума
).
Связь условия Вейерштрасса с условием Лежандра
Пусть
класс функций
включает функции, для которых при
одинаковых значения аргумента
координаты
,
близки к значениям
,
на экстремали
.
Пусть функция
трижды дифференцируема по аргументу
.
По формуле Тейлора получим
,
где
заключено между
и
.
С учетом (2.40), (2.41) имеем
.
(2.42)
Отсюда
видно, что функция
сохраняет знак, если сохраняет знак
,
т.е. в данном случае слабого экстремума
условие Вейерштрасса совпадает с
условием Лежандра.
17. Рассмотрим непрерывную динамическую систему, описываемую системой обыкновенных дифференциальных уравнений
(3.1)
где
- вектор состояния системы размерности
(фазовый вектор, вектор фазовых координат),
- вектор управления размерности
,
- время, определенное на отрезке
(
может
быть фиксированным и свободным),
- вектор-функция правых частей размерности
.
В общем случае на векторы и накладываются условия принадлежности
, , (3.2)
где и - допустимые множества векторов состояния и управления.
Требуется
определить управление
,
которое переводит систему (3.1) с учетом
ограничений (3.2) их начального состояния
в конечное
при минимальном значении критерия
оптимальности (функционала)
.
(3.3)
Функционалы
вида (3.3) называются интегротерминальными
критериями. При
и
задача называется задачей Больца, при
- задачей Майера, при
- задачей Лагранжа.
В
дальнейшем будем полагать, что начальное
состояние
фиксировано, а конечное
может быть заданным, свободным или
принадлежать некоторому множеству
.
