183675 (Теоретические основы математических и инструментальных методов экономики), страница 2

                          (5.2.4)

                       (5.2.5)

множителей Лагранжа, который состоит из следующих шагов.

Составляют функцию Лагранжа     

Находят частные производные       

Решают систему уравнений

                  (5.2.16)

и отыскивают точки , удовлетворяющие системе (5.2.16).

 Найденные точки  дальше исследуют на максимум (или минимум).

Седловая точка и задача нелинейного программирования

Рассмотрим функцию Лагранжа  

Определение Пара векторов  называется седловой точкой функции Лагранжа , если при всех  выполняется условие

                        (5.3.28)

Неравенство (5.3.28) называют неравенством для седловой точки. Очевидно, что в седловой точке выполняется условие

            (5.3.29)

Между понятием седловой точки функции Лагранжа и решением задачи НП существует взаимосвязь, которая устанавливается в следующей теореме.

Теорема 5.9. Пусть  и все  выпуклы и функции  удовлетворяют условию регулярности Слейтера. Вектор  является решением задачи НП (5.3.1), (5.3.2) тогда и только тогда, когда существует такой вектор , что

                   (5.3.30)

и

                          (5.3.31)

Теорема Куна-Таккера. Пусть функции , имеют непрерывные частные производные на некотором открытом множестве , содержащем точку . Если  является точкой минимума функции  при ограничениях , удовлетворяющих  условию регулярности в виде линейной независимости векторов , то существуют такие неотрицательные множители Лагранжа  , что

                            (5.3.15)

                    (5.3.16)

Определим функцию Лагранжа следующим образом:

                          (5.3.17)

Тогда теорему Куна-Таккера можно записать в виде

                                (5.3.18)

                             (5.3.19)

              (5.3.20)

Заметим, что множители Лагранжа в задаче НП с ограничениями-равенствами являются знаконеопределенными, тогда как в теореме Куна-Таккера они должны быть положительными.

Каждой задаче линейного программирования соответствует двойственная задача. Двойственная задача по отношению к исходной задаче строится по следующим правилам:

• Если исходная задача ставится на максимум, то двойственная ставится на минимум и наоборот.

• Коэффициенты целевой функции исходной задачи становятся правыми частями ограничений двойственной задачи. Правые части ограничений исходной задачи становятся коэффициентами целевой функции двойственной задачи.

• Если A-матрица коэффициентов исходной задачи, то транспонированная матрица T A будет матрицей коэффициентов двойственной задачи.

• В задаче на максимум все ограничения имеют знак ≤ (=), а в задаче на минимум все ограничения имеют знак ≥ .

• Число переменных в двойственной задаче равно числу ограничений в исходной задаче. Каждому ограничению исходной задачи соответствует переменная двойственной задачи. Если ограничение исходной задач имеет знак (≥ ), то соответствующая переменная двойственной задачи неотрицательна. Если ограничение имеет знак (=), то соответствующая переменная двойственной задачи может принимать положительные и отрицательные значения и наоборот.

Градиентные методы гладкой оптимизации. Общая идея градиентного спуска (подъема). Пропорциональный градиентный метод. Полношаговый градиентный метод. Метод сопряженных градиентов.

Методы отыскания экстремума, использующие производные, имеют строгое математическое обоснование. Известно, что при отыскании экстремума не существует лучшего направления, чем движение по градиенту.

Градиентом дифференцируемой функции f(x) в точке х[0] называется n-мерный вектор f(x[0]), компоненты которого являются частными производными функции f(х), вычисленными в точке х[0], т. е.

f'(x[0]) = (дf(х[0])/дх₁, …, дf(х[0])/дх_n)^T.

Этот вектор перпендикулярен к плоскости, проведенной через точку х[0] , и касательной к поверхности уровня функции f(x), проходящей через точку х[0] .В каждой точке такой поверхности функция f(x) принимает одинаковое значение. Приравнивая функцию различным постоянным величинам С₀, С₁, ... , получим серию поверхностей, характеризующих ее топологию

Вектор-градиент направлен в сторону наискорейшего возрастания функции в данной точке. Вектор, противоположный градиенту (-f’(х[0])), называется антиградиентом и направлен в сторону наискорейшего убывания функции. В точке минимума градиент функции равен нулю. На свойствах градиента основаны методы первого порядка, называемые также градиентным и методами минимизации. Использование этих методов в общем случае позволяет определить точку локального минимума функции.

Очевидно, что если нет дополнительной информации, то из начальной точки х[0] разумно перейти в точку х [1], лежащую в направлении антиградиента - наискорейшего убывания функции. Выбирая в качестве направления спуска р[k] антиградиент -f’(х[k]) в точке х[k], получаем итерационный процесс вида

х[k+1] = x[k]-a_kf'(x[k]), а_k > 0; k=0, 1, 2, ...

В координатной форме этот процесс записывается следующим образом:

x_i[k+1]=х_i[k] - a_k f(x[k])/ x_i

i = 1, ..., n; k= 0, 1, 2,...

В качестве критерия останова итерационного процесса используют либо выполнение условия малости приращения аргумента || x[k+l] - x[k] || <= e, либо выполнение условия малости градиента

|| f’(x[k+l]) || <= g,

Здесь e и g - заданные малые величины.

Возможен и комбинированный критерий, состоящий в одновременном выполнении указанных условий. Градиентные методы отличаются друг от друга способами выбора величины шага а_k.

При методе с постоянным шагом для всех итераций выбирается некоторая постоянная величина шага. Достаточно малый шаг а_k обеспечит убывание функции, т. е. выполнение неравенства

f(х[k+1]) = f(x[k] – a_kf’(x[k])) < f(x[k]).

Однако это может привести к необходимости проводить неприемлемо большое количество итераций для достижения точки минимума. С другой стороны, слишком большой шаг может вызвать неожиданный рост функции либо привести к колебаниям около точки минимума (зацикливанию). Из-за сложности получения необходимой информации для выбора величины шага методы с постоянным шагом применяются на практике редко.

Более экономичны в смысле количества итераций и надежности градиентные методы с переменным шагом, когда в зависимости от результатов вычислений величина шага некоторым образом меняется. Рассмотрим применяемые на практике варианты таких методов.

Метод наискорейшего спуска

При использовании метода наискорейшего спуска на каждой итерации величина шага а_k выбирается из условия минимума функции f(x) в направлении спуска, т. е.
f(x[k] –a_kf’(x[k])) = f(x[k] – af'(x[k])).

Это условие означает, что движение вдоль антиградиента происходит до тех пор, пока значение функции f(x) убывает. С математической точки зрения на каждой итерации необходимо решать задачу одномерной минимизации по а функции
j(a) = f(x[k] - af'(x[k])) .

Алгоритм метода наискорейшего спуска состоит в следующем.

1. Задаются координаты начальной точки х[0].

2. В точке х[k], k = 0, 1, 2, ... вычисляется значение градиента f’(x[k]).

3. Определяется величина шага a_k, путем одномерной минимизации по а функции j(a) = f(x[k] - af'(x[k])).

4. Определяются координаты точки х[k+1]:

х_i[k+1] = x_i[k] – а_kf’_i(х[k]), i = 1 ,..., п.

5. Проверяются условия останова стерационного процесса. Если они выполняются, то вычисления прекращаются. В противном случае осуществляется переход к п. 1.

В рассматриваемом методе направление движения из точки х[k] касается линии уровня в точке x[k+1] (Рис. 2.9). Траектория спуска зигзагообразная, причем соседние звенья зигзага ортогональны друг другу. Действительно, шаг a_k выбирается путем минимизации по а функции φ(a) = f(x[k] - af'(x[k])). Необходимое условие минимума функции dj(a)/da = 0. Вычислив производную сложной функции, получим условие ортогональности векторов направлений спуска в соседних точках:

dj(a)/da = -f’(x[k+1]f’(x[k]) = 0.

Градиентные методы сходятся к минимуму с высокой скоростью (со скоростью геометрической прогрессии) для гладких выпуклых функций. У таких функций наибольшее М и наименьшее m собственные значения матрицы вторых производных (матрицы Гессе)

мало отличаются друг от друга, т. е. матрица Н(х) хорошо обусловлена. Напомним, что собственными значениями l_i, i =1, …, n, матрицы являются корни характеристического уравнения

Однако на практике, как правило, минимизируемые функции имеют плохо обусловленные матрицы вторых производных (т/М << 1). Значения таких функций вдоль некоторых направлений изменяются гораздо быстрее (иногда на несколько порядков), чем в других направлениях. Их поверхности уровня в простейшем случае сильно вытягиваются, а в более сложных случаях изгибаются и представляют собой овраги. Функции, обладающие такими свойствами, называют овражными. Направление антиградиента этих функций (см. Рис. 2.10) существенно отклоняется от направления в точку минимума, что приводит к замедлению скорости сходимости.

Метод сопряженных градиентов

Рассмотренные выше градиентные методы отыскивают точку минимума функции в общем случае лишь за бесконечное число итераций. Метод сопряженных градиентов формирует направления поиска, в большей мере соответствующие геометрии минимизируемой функции. Это существенно увеличивает скорость их сходимости и позволяет, например, минимизировать квадратичную функцию

f(x) = (х, Нх) + (b, х) + а

с симметрической положительно определенной матрицей Н за конечное число шагов п , равное числу переменных функции. Любая гладкая функция в окрестности точки минимума хорошо аппроксимируется квадратичной, поэтому методы сопряженных градиентов успешно применяют для минимизации и неквадратичных функций. В таком случае они перестают быть конечными и становятся итеративными.

По определению, два n-мерных вектора х и у называют сопряженными по отношению к матрице H (или H-сопряженными), если скалярное произведение (x, Ну) = 0. Здесь Н - симметрическая положительно определенная матрица размером пхп.

Одной из наиболее существенных проблем в методах сопряженных градиентов является проблема эффективного построения направлений. Метод Флетчера-Ривса решает эту проблему путем преобразования на каждом шаге антиградиента -f(x[k]) в направление p[k], H-сопряженное с ранее найденными направлениями р[0], р[1], ..., р[k-1]. Рассмотрим сначала этот метод применительно к задаче минимизации квадратичной функции.

Направления р[k] вычисляют по формулам:

p[k] = -f’(x[k])+b_k-1p[k-l], k >= 1;

p[0] = -f’(x[0]).

Величины b_k-1 выбираются так, чтобы направления p[k], р[k-1] были H-сопряженными:

(p[k], Hp[k-1])= 0.

В результате для квадратичной функции

,

итерационный процесс минимизации имеет вид

x[k+l] =x[k] +a_kp[k],

где р[k] - направление спуска на k-м шаге; а_k - величина шага. Последняя выбирается из условия минимума функции f(х) по а в направлении движения, т. е. в результате решения задачи одномерной минимизации:

f(х[k] + а_kр[k]) = f(x[k] + ар [k]).

Для квадратичной функции

Алгоритм метода сопряженных градиентов Флетчера-Ривса состоит в следующем.

1. В точке х[0] вычисляется p[0] = -f’(x[0]).

2. На k-м шаге по приведенным выше формулам определяются шаг а_k. и точка х[k+1].

3. Вычисляются величины f(x[k+1]) и f’(x[k+1]).

4. Если f’(x[k+1]) = 0, то точка х[k+1] является точкой минимума функции f(х). В противном случае определяется новое направление p[k+l] из соотношения

и осуществляется переход к следующей итерации. Эта процедура найдет минимум квадратичной функции не более чем за п шагов. При минимизации неквадратичных функций метод Флетчера-Ривса из конечного становится итеративным. В таком случае после (п+1)-й итерации процедуры 1-4 циклически повторяются с заменой х[0] на х[п+1] , а вычисления заканчиваются при , где - заданное число. При этом применяют следующую модификацию метода:

x[k+l] = x[k] +a_kp[k],

p[k] = -f’(x[k])+b_k-1p[k-l], k >= 1;

p[0] = -f’(x[0]);

f(х[k] + a_kp[k]) = f(x[k] + ap[k];

.

Здесь I- множество индексов: I = {0, n, 2п, Зп, ...}, т. е. обновление метода происходит через каждые п шагов.

Геометрический смысл метода сопряженных градиентов состоит в следующем (Рис. 2.11). Из заданной начальной точки х[0] осуществляется спуск в направлении р[0] = -f'(x[0]). В точке х[1] определяется вектор-градиент f'(x [1]). Поскольку х[1] является точкой минимума функции в направлении р[0], то f’(х[1]) ортогонален вектору р[0]. Затем отыскивается вектор р [1], H-сопряженный к р [0] . Далее отыскивается минимум функции вдоль направления р[1] и т. д.

Рис. 2.11. Траектория спуска в методе сопряженных градиентов

Методы сопряженных направлений являются одними из наиболее эффективных для решения задач минимизации. Однако следует отметить, что они чувствительны к ошибкам, возникающим в процессе счета. При большом числе переменных погрешность может настолько возрасти, что процесс придется повторять даже для квадратичной функции, т. е. процесс для нее не всегда укладывается в п шагов.

Выпуклая оптимизация. Условие выпуклости. Субградиентный метод выпуклой оптимизации. Метод растяжения пространства. Метод эллипсоидов.

Основная задача выпуклого программирования

Пусть задано выпуклое и замкнутое множество . Рассмотрим множество

={ }, =( ,…, ), .

где ( ) — вогнутые (выпуклые вверх) непрерывные на скалярные функции. В теории математического программирования каждый элемент принято называть допустимым планом, а само множество — множеством допустимых планов.

Формальная постановка задачи выпуклого программирования

Задачу

,

где выпукла, а определяется вышеприведенными условиями, называется основной задачей выпуклого программирования.

означает, что ставится задача:

Если существует минимальное значение функции на множестве , то среди всех допустимых планов найти оптимальный план , для которого

= =

при этом число называют значением задачи.

Если оптимального плана не существует, то требуется

• либо найти значение задачи как точную нижнюю грань значений функции на множестве :

=

• либо убедиться, что неограничена снизу на множестве ;

• либо убедиться в том, что множество допустимых планов пусто.

Для решения предложенной оптимизационной задачи следует выполнить следующие действия:

• Определить множество .

• Определить вектор-функцию =( ,…, ) и вектор .

• Определить множество допустимых планов ={ }.

• Привести задачу к стандартной форме основной задачи выпуклого программирования и определить оптимизируемую функцию .

• Проверить, является ли полученная оптимизационная задача ЗВП, для этого

• проверить на выпуклость множество ;

• проверить на выпуклость функцию .

В случае успеха п. 

• Построить функцию Лагранжа полученной ЗВП.

• С помощью дифференциальных условий Куна-Таккера найти седловые точки построенной функции Лагранжа.

В случае неудачи п.  попытаться найти другие методы решения задачи.

Методы субградиентной оптимизации. Эти итеративные процедуры формируют последовательность векторов {l^k}. Начиная с некоторого начального значения l⁰ эти вектора меняются по следующему правилу

l^k+1 = l^k + t_k (A x^k -  b),

где x^k — оптимальное решение задачи , а t_k — размер шага. Фундаментальный теоретический результат заключается в  том, что [14]

.

Размер шага  на практике обычно выбирают, следуя [11],

где q ^k — скаляр, 0 < q ^k 2  и z* — верхняя граница для n(D). Обычно z* получают эвристикой для P. В методе ветвей и границ z* — текущий рекорд. Последовательность q ^k, как правило, начинается с q  ⁰=2 и затем q ^k делится пополам, через фиксированное число итераций, зависящее от размерности задачи.

Элементы функционального анализа. Метрические, линейные и нормированные пространства. Эвклидово пространство. Гильбертово пространство. Линейные операторы и функционалы в линейных нормированных пространствах

Функциональный анализ, часть современной математики, главной задачей которой является изучение бесконечномерных пространств и их отображений. Наиболее изучены линейные пространства и линейные отображения. Для Ф. а. характерно сочетание методов классического анализа, топологии и алгебры. Абстрагируясь от конкретных ситуаций, удаётся выделить аксиомы и на их основе построить теории, включающие в себя классические задачи как частный случай и дающие возможность решать новые задачи. Сам процесс абстрагирования имеет самостоятельное значение, проясняя ситуацию, отбрасывая лишнее и открывая неожиданные связи. В результате удаётся глубже проникнуть в сущность математических понятий и проложить новые пути исследования.

Развитие Ф. а. происходило параллельно с развитием современной теоретической физики, при этом выяснилось, что язык Ф. а. наиболее адекватно отражает закономерности квантовой механики, квантовой теории поля и т.п. В свою очередь эти физические теории оказали существенное влияние на проблематику и методы Ф. а.

1. Линейные пространства. Базис

Одно из основных понятий современной математики - линейное пространство.

Пусть L - некоторое множество объектов произвольной природы, а C - множество комплексных чисел. Множество L называют линейным пространством, если на нем определены две операции: 1) операция сложения любых двух элементов этого множества и 2) операция умножения элементов этого множества на комплексное число, причем эти операции удовлетворяют некоторым естественным аксиомам. Более точно:

Определение. Множество L называется линейным пространством над полем комплексных чисел C, если

1. каждой паре элементов x, y из этого пространства поставлен в соответствие элемент z этого пространства, называемый суммой элементов x и y (обозначение: );

2. каждому элементу x из L и каждому комплексному числу поставлен в соответствие элемент из L, называемый произведением и x (и обозначаемый или x);

3. указанные операции удовлетворяют следующим аксиомам:

4. для любых ,

5. для любых ,

6. существует "нулевой" элемент , такой, что для любого ,

7. для каждого существует "противоположный" ему элемент , такой, что ,

8. для любого ,

9. для любого и любых ,

10. для любого и любых ,

11. для любого и любых .

Подчеркнем, что перечисленные аксиомы являются естественным обобщением хорошо известных свойств сложения и умножения чисел, сложения векторов и их умножения на число и т.д.

Иногда рассматривают линейное пространство не над полем комплексных, а над полем действительных чисел R (т.е. вместо операции умножения на комплексные числа рассматривается операция умножения на действительные числа). Аксиомы линейного пространства при этом не меняются.

Приведем некоторые типичные примеры линейных пространств.

Пример 1. Линейное пространство векторов на плоскости (или в трехмерном пространстве) с обычными операциями сложения векторов и умножения вектора на действительное число. Нулевым элементом является нулевой вектор.

Пример 2. Линейное пространство всевозможных последовательностей комплексных чисел с операциями