- •Московский государственный авиационный институт
- •Основные понятия.
- •Процесс оптимизации.
- •G множество допустимых
- •Аналитический способ нахождения локального минимума.
- •Безусловная оптимизация.
- •Анализ метода.
- •Методы прямого поиска.
- •Метод координатного спуска.
- •Градиентные методы. Метод наискорейшего спуска.
- •Метод Ньютона.
- •1 И 2 не подходят для оптимизации.
- •Задачи оптимизации с ограничениями – разностями (зор)
- •Метод исключения
- •Метод множителей Лагранжа.
- •5 Условий дают систему линейных уравнений Нелинейное программирование (нлп).
- •Задачи линейного программирования (лп).
Задачи оптимизации с ограничениями – разностями (зор)
![]()
Пример:
Ф
ункции
заданы аналитическим выражением![]()
можно разрешить относительно одной из
переменных![]()
![]()
можно исключить изf
и
,
подставив вместо нее
:

![]()
![]()
Тогда,
- задача безусловной оптимизации. Находим
вычисляем![]()
Метод исключения
Численное решение:

![]()
точкаminдолжна лежать на
прямой.

![]()
g(x)
![]()
В каждый
момент линия уровня будет касаться
прямой
эта точка и является точкой
условного локального min. Если в окрестности заданной точки, удовлетворяющей
всем значениям равенства, значение функции больше, чем в точке, то эта точка – есть точка условного локального min.
Пример:
![]()
(a,x)=0
![]()

![]()
![]()
![]()
![]()
Если (a1x)=b

![]()
![]()
![]()
![]()
Допустим,
![]()
![]()
![]()
Прямая будет
проходить через некоторую точку
удовлетворяющую условию и
![]()
Для nпеременных
,Ax=b
Рассмотрим i-ое ограничение:
,
![]()
- задан
x- все вектора, лежащие
.
Они и составляют гиперплоскость.
При добавлении еще одного условия, уменьшаются размерности. В конечном итоге получится пространство n-m.
Для двух переменных возможно 2 случая:
|
1
|
2 |
В случае 2 это не точка минимума, а седловая точка.
Рассмотрим точку 3-х переменных:
|
плоскость
|
Ограничение – плоскость, следовательно, все допустимые точки на плоскости. Если угол gradне равен 90 градусам следовательно можно двигаться дальше. На плоскости существует направление, которое будет составлять острый угол с– grad, и двигаясь в этом направлении можно уменьшить значениеf. Если -grad fперпендикулярен плоскости эта точка может быть точкой минимума.
|
Пусть существует 2 ограничения:

Рассмотрим опять случай 3-х переменных:
Точка минимума должна принадлежать пересечению плоскостей.
Необходимое условие – вектор антиградиента должен составлять угол 90 градусов с прямой пересечения плоскостей.
Для п-мерного случая имеетсяппеременных следовательно рассматривая каждое ограничение, получаемп-1гиперплоскость следовательно рассмотревтограничений получимп-тгиперплоскость (т<п).
|
|
все ограничения независимы |
Если вектор grad(п-мерный) будет ортогоналенп-т– пространству.
Допустим имеется п-1пространство,п-мерный вектор может принадлежать ему или нет. Пусть вектор не принадлежит данному подпространству следовательно его можно разложить на 2 вектора – один который принадлежит подпространству, и второй который ортогонален данному. Ортогональное дополнение – вектора, которые ортогональны данному подпространству.
В 3D– пространстве, если подпространство равно 1 следовательно ортогональное дополнение равно 2.
В п-т-мерном подпространстве ортогональное дополнение имеет размерностьт.
Необходимое условие:Если мы находим точку, где вектор градиента принадлежит ортогональному дополнению к пространству, заданному ограничениями – равенствами, то эта точка может быть точкой локального минимума.
Пусть есть 2 плоскости. Если записать систему ограничений равенств следующим образом:

где
![]()
Т.о. вектора
порождают ортогональное дополнение.
Существующие могут быть выбраны в
качестве базиса ортогонального дополнения
следовательно градиент принадлежит
ортогональному дополнению:
![]()
т.е. линейная комбинация базисных векторов.
|
|
|
- множители Лагранжа.
Рассмотрим
матрицу
,
в ней
- столбцы.
![]()
это условие может быть использовано для численного решения задачи оптимизации с ограничивающими уравнениями.
Пример:
![]()
![]()
Если найдем
такие вектора хи
,
для которых эти условия выполняются то
точка может быть точкой локального
минимума.
Рассмотрим случай когда система ограничений – равенств нелинейная:
Если функции дифференцируемы, то в окрестности точки минимума они будут вести себя как линейные.
|
|
|
следовательно необходимое условие локального минимума:

![]()
n-m
![]()
![]()
- множители Лагранжа.
![]()
![]()
-
точка может быть искомой в задаче
- множители Лагранжа.

Обозначения
для скалярного произведения
;
;
![]()
Необходимое условие точки локального минимума исходное задание с ограничениями представляет собой необходимое условие точки локального экстремума для функции Лагранжа.
![]()
![]()

.
.



