- •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
4.7. Градиентные методы
Используя градиентные
методы, можно найти, решение любой задачи
нелинейного программирования. Применение
этих методов в общем случае позволяет
найти точку локального экстремума.
Поэтому более целесообразно использовать
их для нахождения решения задач выпуклого
программирования. Процесс нахождения
решения задачи с помощью градиентных
методов состоит в том, что начиная с
некоторой точки
осуществляется последовательный
переход к некоторым другим точкам до
тех пор, пока не будет найдено приемлемое
решение исходной задачи. Градиентные
методы могут быть подразделены на две
группы.
К первой группе относятся
методы, при использовании которых
исследуемые точки не выходят за
пределы области допустимых решений
задачи. В данном случае наиболее
распространенным является метод Франка
- Вульфа. Ко второй - методы, при
использовании которых исследуемые
точки могут как принадлежать, так и не
принадлежать области допустимых решений.
Однако в результате реализации
итерационного процесса находится точка
области допустимых решений, определяющая
приемлемое решение. Наиболее часто
используются метод штрафных функций и
метод Эрроу - Гурвица. При
нахождении решения задачи градиентными
методами итерационный процесс
продолжается до тех пор, пока
градиент функции
в очередной точке
не станет равным нулю или же пока
не выполнится неравенство
,
где
(точность полученного
решения).
Метод Франка - Вульфа. Пусть требуется найти максимальное значение вогнутой функции
(9)
при условиях
(10)
(11)
Ограничения содержат только линейные неравенства. Эта особенность является основой для замены в окрестности исследуемой точки нелинейной целевой функции линейной, в результате чего решение исходной задачи сводится к последовательному решению задач линейного программирования.
Процесс нахождения решения начинают с определения точки, принадлежащей области допустимых решений. Пусть это точка . Вычисляют в этой точке градиент функции (9):
,
строят линейную функцию
.
(12)
Находят максимум функции
(12) при ограничениях (10) и (11). Пусть решение
данной задачи определяется точкой
.
За новое допустимое решение исходной
задачи принимают координаты точки
,
которые находят по формулам
,
где
- некоторое число,
называемое шагом вычислений
.
За
принимают наименьший корень
уравнения
или выбирают
произвольно, если он не
принадлежит интервалу (0; 1).
Метод штрафных функций. Рассмотрим задачу нелинейного программирования (6) -(8), где - выпуклые функции.
Вместо того, чтобы решать эту задачу, находят максимум функции
,
где
определяется
системой ограничений и называется
штрафной функцией.
Последнюю можно построить различными
способами. Наиболее часто она имеет вид
,
где
а
-
некоторые постоянные числа, представляющие
собой весовые коэффициенты.
Используя штрафную функцию, последовательно переходят от одной точки к другой до тех пор, пока не получат приемлемое решение. Координаты последующей точки находят по формуле
,
где
-
шаг вычислений
.
Итерационный процесс обычно
начинают при сравнительно малых
значениях
и, продолжая его, эти значения постепенно
увеличивают.
Метод Эрроу - Гурвица.
При нахождении решения задачи нелинейного
программирования методом штрафных
функций значения
,
выбирают произвольно, что приводит к
значительным колебаниям удаленности
определяемых точек от области
допустимых решений. Этот недостаток
устраняется при решении задачи методом
Эрроу - Гурвица, согласно которому на
очередном шаге числа
находят по формуле
В качестве начальных значений
берут произвольные
неотрицательные числа.
