- •Учебно-методические материалы к изучению дисциплины «Методы оптимизации» (конспект лекций)
- •1. Классификация задач оптимизации
- •2. Классификация математических методов и моделей в экономике
- •3. Линейное программирование
- •3.1. Постановка задачи линейного программирования
- •3.2. Экономическая интерпретация задач линейного программирования
- •3.3. Требования совместности условий
- •3.4. Графический метод решения задач линейного программирования
- •3.5. Симплекс-метод
- •3.6. Модифицированный симплекс-метод
- •3.7. Построение опорных планов
- •3.8. Условия оптимальности
- •3.9. Метод искусственного базиса
- •3.10. Транспортная задача
- •3.11. Двойственные задачи линейного программирования
- •3.12. Устойчивость оптимизационного решения
- •4. Нелинейное программирование
- •4.1. Классификация и общая постановка задач нелинейного программирования
- •4.2. Метод множителей Лагранжа
- •4.3. Возможные обобщения метода множителей. Седловая точка функции Лагранжа
- •4.4. Оптимальные решения при ограничениях-неравенствах. Теорема Куна - Таккера
- •4.5. Выпуклое программирование. Задача выпуклого программирования
- •4.6. Квадратичное программирование
- •4.7. Градиентные методы
- •5. Оптимизация на графах
- •5.1. Основные понятия теории графов
- •5.2. Связность
- •5.3. Подграфы
- •5.4. Матрица графов
- •5.5. Потоки в сетях
- •5.6. Задача о максимальном потоке сети
- •5.7. Задача о кратчайшем пути
- •5.8. Задача коммивояжера
- •5.9. Оптимизация сетевого графика
- •5.10. Методы оптимизации производственной программы
- •6. Динамическое программирование
- •6.1. Общая постановка задачи динамического программирования
- •6.2. Принцип оптимальности. Уравнение Беллмана
- •6.3. Простейшие экономические задачи, решаемые методом динамического программирования
- •7. Математические модели потребительского поведения и спроса
- •7.1. Отношение предпочтения и функция полезности
- •7.2. Решение задачи об оптимальном выборе потребителя
- •7.3. Функции спроса. Коэффициент эластичности
4.2. Метод множителей Лагранжа
Рассмотрим частный случай общей задачи нелинейного программирования (1), (2), предполагая, что система ограничений (2) содержит только уравнения, отсутствуют условия неотрицательности переменных и функции f и gi - непрерывные вместе со своими частными производными
(1)
(2)
В курсе математического анализа задачу (1), (2) называют задачей на условный экстремум или классической задачей оптимизации.
Чтобы найти решение такой задачи, вводят
набор переменных
называемых множителями Лагранжа,
и составляют функцию Лагранжа:
(3)
находят частные производные
и
,
рассматривают систему n+m
уравнений:
(4)
с n+m
неизвестными
.
Всякое решение системы (4) определяет
точку
в которой может иметь место экстремум
функции
.
Следовательно, решив систему (4),
получают все точки, в которых функция
(1) может иметь экстремальные значения.
Дальнейшее исследование найденных
точек проводят так же, как и в случае
безусловного экстремума.
Пример. Известен рыночный спрос на
определенное изделие в количестве
180 штук. Это изделие может быть изготовлено
двумя предприятиями одного концерна
по различным технологиям. При производстве
х1 изделий первым
предприятием его затраты составят
руб., а при изготовлении х2
изделий вторым предприятием они
составляют
руб.
Определить, сколько изделий, изготовленных по каждой технологии, может предложить концерн, чтобы общие издержки его производства были минимальны.
Решение. Задача запишется в виде:
(5)
(6), (7)
Для нахождения минимального значения функции (5) при условии (6), т. е. без учета требования неотрицательности переменных, составляется функция Лагранжа:
вычисляются ее частные производные по
и приравнивается нулю:
Отсюда
или
.
Решая это уравнение совместно с
,
находим
,
т. е. получаем координаты точки,
подозрительной на экстремум. Используя
вторые частные производные, можно
показать, что в этой точке функция f
имеет условный минимум.
Такой же результат можно получить, если исследование на условный экстремум функции f свести к исследованию на безусловный экстремум функции f 1? полученной из f в результате ее преобразований.
Таким образом, если из уравнения связи найти х2 = 180 – x1 и подставить это выражение в целевой функции, то получится функция одной переменной x1.
.
или 4х1 - 364 = 0, откуда
.
Используя вторые частные производные,
устанавливаем, что в данной точке функция
f имеет минимальное
значение.
4.3. Возможные обобщения метода множителей. Седловая точка функции Лагранжа
Здесь будут обсуждены
вопросы относящиеся к
оптимизационным задачам, содержащим
ограничения вида
и
.
Главное внимание
уделяется изучению особенностей функции
Лагранжа
и связанных с ними условий существования
экстремума.
Введем определение:
точка
,
заданная своими координатами
,
является
седловой, для
функции
,
если неравенства
выполнены для всех
из некоторой окрестности
.
Это определение относится к локальной седловой точке, поскольку требование выполнить указанные в нем неравенства связано лишь с теми , которые находятся «вблизи» . В том же смысле можно говорить и обо всех , представляющих интерес в той или иной задаче; соответствующая седловая точка рассматривается как глобальная.
Анализ необходимых
условий существования таких точек будет
проведен в предположении, что часть
переменных
не имеет
ограничения на знак, остальные же
должны быть либо неотрицательными, либо
неположительными; для конкретности
при
и
;
при
и
;
произвольный знак имеют хi
и λi
при
,
.
Пусть точка
является седловой для
.
Рассмотрим две
группы производных, считая, что таковые
существуют:
.
Поскольку
определена
как точка максимума Ф
по X
и минимума по
,
производные
,
должны
обратиться в нуль при
,
если нет ограничений на знак этих
.
Таким образом,
для
и
для
.
Чтобы понять, как
ведут себя рассматриваемые производные
при
,
достаточно выбрать переменную хк
с номером
и провести на
ее примере необходимое исследование,
cчитая
все остальные переменные фиксированными.
Если
как функция только хк
достигает
максимума
при
,
то
;
но если
(точка максимума
Ф
принадлежит границе области
хк
0),
то можно
ожидать либо
либо
(рис. 7). Повторив подобные рассуждения
применительно к другим
нетрудно получить
сводку необходимых условий существования
.
(1)
причем всегда
Рис. 7 Рис. 8
Для анализа,
достаточных условий введем определение:
некоторая функция F(X)
называется выпуклой
на интервале
[Х1,Х2],
если
при 0<a<1
(рис. 8). В основе определения
вогнутой на [Х1,
Х2]
функции лежит неравенство
противоположного смысла, причем часто
употребляются
термины «выпуклая
вниз», «выпуклая вверх».
Пусть Ф(Х,
)
является выпуклой (вверх) по X
для всех X из
-окрестности
Х0, т.е.
это значит
.
Выбирая
таким, что
(сохраняются линейные члены разложения
в ряд Тейлора), получаем
или
.
Слагаемое
интерпретируется, очевидно, как
Если, все эти соотношения рассматриваются при выполненных условиях (1), то,
Следовательно,
- неположительная величина и тем
более
.
Таким образом, из
(1) и предположения о выпуклости вверх
но X
получено неравенство, присутствующее
в определении седловой точки.
Считая теперь
выпуклой (вниз) по
вблизи
,
т.е.
при
,
нетрудно придти к выводу:
.
Этим подтверждается достаточность
общих условий (1) и требования «
должна быть выпуклой по Х
и вогнутой
по
в
окрестности
»
для существования «седла».
