467

Градієнтний метод числової оптимізації задач нелінійного програмування

Лабораторная работа

Информатика, кибернетика и программирование

Застосування градієнтного методу, коли обмеження на область зміни змінних х відсутні. Застосування градієнтного методу, коли наявні обмеження на область зміни змінних х. ознайомлення з градієнтним методом числової оптимізації, набуття навиків розв’язку та аналізу задач нелінійного програмування градієнтним методом.

Украинкский

2013-01-06

1.16 MB

132 чел.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ  УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ “ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Кафедра АСУ

Звіт

із лабораторної роботи №13

«Градієнтний метод числової оптимізації                                                                                          задач нелінійного програмування»

з дисципліни

“Математичні методи дослідження операцій”

Виконав:

студент групи КН – 22

Приступа Олег

Прийняв:

старший викладач Балич Б.І.

Львів – 2012


Мета роботи: ознайомлення з градієнтним методом числової оптимізації, набуття навиків  розв’язку та аналізу задач нелінійного програмування градієнтним методом.

  1.  Короткі теоретичні відомості

Градієнтні методи належать до наближених числових методів розв’язування задач нелінійного програмування, оскільки дають точний розв’язок за нескінченне і лише в окремих випадках за скінченне число кроків. З їх використанням  можна розв’язувати будь-яку задачу нелінійного програмування, знаходячи, як правило, лише локальний екстремум. Тому застосування цих методів дає найбільший ефект для розв’язування задач випуклого програмування, де локальний екстремум є одночасно і глобальним.

1.1.  Застосування градієнтного методу, коли обмеження на область зміни змінних х відсутні

Розглянемо задачу максимізації функції f(х), коли обмеження на область зміни змінних х відсутні. Пошук екстремального значення функції f(х) можна починати з будь-якого допустимого розв’язку, наприклад, з точки хk = (x1k; ...; хпk).

Градієнтом f(x) функції f(х) в точці хk називається вектор, координатами якого є значення в цій точці частинних похідних першого порядку відповідної змінної, тобто

                                          

Градієнт функції в цій точці вказує напрямок найшвидшого зростання функції  f (х).

Переміщення з точки хk вздовж градієнту в нову точку хk+1 відбувається по прямій, рівняння якої

                                         .                                           (1)

де k  числовий параметр, від величини якого залежить довжина кроку переміщення . Величина k, при якій досягається найбільший приріст функції, може бути визначена з необхідної умови екстремуму функції

                                                                                    (2)

Чергову точку   хk+1  визначаємо після обчислення параметру  k  (для цього підставляємо значення  k     в формулу (1) на пошуковій траєкторії). В цій ( хk+1 ) точці знову знаходимо градієнт, а рух відбувається далі по прямій хk+2 = хk+1 + k+1f(xk+1) у напрямку нового градієнту f (xk+2) до точки хk+2, в якій досягається найбільше значення функції f(х) в цьому напрямку і т.д. Розв’язування триватиме доти, поки не буде досягнута точка х*, в якій градієнт функції дорівнює нулю. В цій точці х* цільова функція f(х*) і буде набувати максимального значення.

Приклад 1. Нехай потрібно визначити точку максимуму функції , коли процес розв’язування розпочинається з точки x0 = (4;4).

Розв’язування. Знайдемо частинні похідні функції  f(x)

; .

Градієнт функції в точці х0 буде

.

Перемістимось з точки  х0  вздовж градієнту  f(х0) в нову точку х1:

х1 = x0 + λ0 f (х0) = (4; 4) + 0 (–6; –4) = (4 – 6 0; 4 – 4 0).

Градієнт функції в точці х1 дорівнює

f (х1) = [2 – 2 (4 – 60); 4 – 2 (4 – 40)] = (– 6 +120; – 4 + 80).

З необхідної умови екстремуму одержуємо рівняння

,

звідки = 0,5.

Оскільки   ,    то знайдене значення х1 є точкою максимуму функції f (х1).

Враховуючи = 0,5, визначимо координати точки х1 на пошуковій траєкторії

х1 = (4 – 6·0,5; 4 – 4·0,5) = (1; 2)

та градієнт f (х1) в цій точці х1        f (х1) = (2 – 2·1; 4 – 2·2) = (0; 0).

Оскільки градієнт f (x1) має нульові координати, робимо висновок про те, що х1 = (1; 2) є точкою, в якій цільова функція досягає максимального значення  f(х1) = 2·1+ 4·2 – 1– 4 = 5                               ( в початковій точці f(x0) = – 8 ).

На мал. 1 наведена графічна інтерпретація даної задачі.

Мал. 1.

1.2.  Застосування градієнтного методу, коли наявні обмеження на область зміни змінних х

Тепер розглянемо випадок розв’язування задачі нелінійного програмування з обмеженнями. Припустимо, що задача полягає в наступному: необхідно знайти максимум функції  f(х) за обмежень

                                                                     ,  ,                                                         (3)

,.

Крім того, будемо вважати, що функція  f(х) є  ввігнутою диференційованою функцією.

При розв’язуванні подібних задач трапляються два випадки:

1) цільова функція має єдиний екстремум, і він знаходиться всередині області допустимих розв’язків. Тоді процес розв’язування задачі (пошук оптимальної точки х*) нічим не відрізняється від уже розглянутого;

2) цільова функція набуває свого екстремального значення в точці, що знаходиться на границі допустимої області. В цьому випадку послідовність розв’язування задачі наступна. Якщо початкова точка  хk лежить всередині допустимої області (всі обмеження виконуються як строгі нерівності), то переміщуватися потрібно в напрямку градієнту. Але координати чергової точки  повинні задовольняти обмеженням (3), тобто повинні виконуватись нерівності

                                                             (4)

Розв’язуючи систему (4) лінійних нерівностей, знаходимо проміжок  допустимих значень параметру , при яких точка x1 буде належати допустимій області. Значення , яке одержується в результаті розв’язування рівняння (2)

                                        ,

повинно належати проміжку . Якщо значення  виходить за межі проміжку, то за  приймається . При цьому чергова точка пошукової траєкторії опиняється на граничній гіперплощині, що відповідає нерівності системи (4), виходячи з якої при розв’язанні системи отримано значення .

Якщо початкова точка хk лежить на граничній гіперплощині (або чергова точка пошукової траєкторії опинилась на граничній траєкторії), то напрямок переміщення визначається із розв’язку наступної допоміжної задачі математичного програмування:

                                                                                   (5)

                                                                                                              (6)

для тих і, при яких

                                                ,                                                              (7)

                                                   ,                                                              (8)

де ;  .

Умова (7) визначає належність точки хk границі допустимої області. Умова (6) означає те, що переміщення з точки хk по вектору rk буде відбуватися всередину допустимої області або по її границі, а умова (8) необхідна для обмеження величини rk. Для наступної точки пошукової траєкторії

знаходиться значення параметра . При цьому використовується необхідна умова екстремуму:

.

Процес розв’язування припиняється при досягненні точки, в якій

.

Приклад 2. Максимізувати  за таких обмежень

,

Оптимізаційний пошук почати з точки x0 = (1; 0,5).

Розв’язування. Точка x0 = (1; 0,5) лежить всередині допустимої області, значення функції в точці x0  f(x0) = 8,75. За напрямок переміщення в наступну точку  x1  приймаємо напрямок градієнту  в точці x0 = (1; 0,5).

Градієнт у точці х0 дорівнює . Виходячи з цього, можна записати координати наступної точки

.

Визначимо проміжок допустимих значений для параметру , при яких точка x1 буде належати допустимій області. В цьому випадку система нерівностей (4) має вигляд

З розв’язку цієї системи знаходимо проміжок . Розв’язавши рівняння

,

визначимо значення параметру , при якому приріст функції досягає найбільшої величини. Але значення не належить проміжку, тому приймаємо .

Нова точка x1 = (1,36; 0,95) знаходиться на граничній прямій, яка визначається другим обмеженням–нерівністю (тією нерівністю, якій відповідає значення ). В точці x1 значення функції. Оскільки точка х1 лежить на граничній прямій, то напрямок переміщення в наступну точку х2 визначаємо за вектором r1 (рух в напрямку градієнта виводить з допустимої області). Для визначення координат вектора r1 запишемо допоміжну задачу (5) – (8):

максимізувати

за обмежень

;

.

Система рівнянь цієї задачі має два розв’язки: (0,5568;–0,8352) і (–0,5568; 0,8352). Підставляючи ці розв’язки у функцію , одержуємо, що максимальне значення функції і досягається при (–0,5568; 0,8352), тобто переміщуватися з х1 треба вздовж вектору                               r1 = (–0,5568; 0,8352)  по другій граничній прямій (мал. 2). Координати наступної точки х2 дорівнюють

,

а градієнт

.

Знову визначаємо проміжок допустимих значень параметра , при яких точка х2 буде належати допустимій області.

До системи обмежень, які повинна задовольняти точка х2, не увійде друге обмеження, оскільки ця точка лежить на граничній прямій, визначеній цим обмеженням. Розв’язуючи дану систему, знаходимо проміжок

.

З використанням необхідної умови екстремуму

отримуємо . Але значення  не належить проміжку , тому приймаємо . Нова точка х2 = (1,36-0,557х1.01; 0,95+0,835х1,01)=(0,8; 1,8) лежить на перетині двох граничних прямих, які відповідають першій і другій нерівностям системи обмежень. У цій точці функція набуває значення

.

Визначимо напрямок переміщення з точки х2 – вектор r2 = (r21; r22):

максимізувати

за обмежень

;

.

Система рівнянь задачі має розв’язок r2 = (0; 0). Підставляючи одержаний розв’язок у функцію T, дістаємо, що максимум T = 0, а це означає те, що х2 є точкою максимуму цільової функції в допустимій області, тобто х2 = х* і max f (х*) = 12,68. Як видно з мал. 2, лінія рівня f(х)дотикається до границі допустимої області в точці х2.

Мал. 2

  1.  Порядок роботи:

Номер завдання відповідає порядковому номеру студента в деканатському журналі старости.

  1.   Розв’язати аналітично задану задачу нелінійного програмування, супроводжуючи розв’язок графічною ілюстрацією.
  2.   Побудувати блок-схему алгоритму рішення задачі.
  3.  Реалізувати алгоритм на одній з мов програмування та відшукати оптимальний розв’язок задачі.

Індивідуальне завдання:

Варіант 20

 


Розвязування задачі аналітично

Блок схема алгоритму:

Лістинг програми на С#:

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.ComponentModel;

using System.Data;

using System.Drawing;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Windows.Forms;

namespace Gradient

{

   public partial class Form1 : Form

   {

       public Form1()

       {

           InitializeComponent();

       }

       private void button1_Click(object sender, EventArgs e)

       {

           gradient();

       }

       

       double[] x1= new double[1000];

       double[] x2 = new double[1000];

       double err = 0.0001;

       double ak = 0.05;

       double func(double x1, double x2)

       {

        return 4*x1*x1 + x2*x2 - 4*x1 + 2*x2;

       }

       double funcdx1(double x1, double x2)

       {

        return 8*x1 - 4;

       }

       double funcdx2(double x1 ,double x2)  

       {

        return 2*x2 + 2;

       }

       void gradient()

       {

        double xpr1 = 0, xpr2 = 0, funpro = 0;

        int i = 0;

           double xnt1 = double.Parse(textBox1.Text);

           double xnt2 = double.Parse(textBox2.Text);

           richTextBox1.Text = "№ " + "\t X1  " + "\t   X2 " + "\t   F( X1; X2)" + "\n";

           do

        {

         i++;

         xnt1 = xpr1-ak*funcdx1(xpr1, xpr2);

         xnt2 = xpr2-ak*funcdx2(xpr1, xpr2);

         funpro = funcdx1(xnt1, xnt2)+funcdx2(xnt1, xnt2);

         xpr1 = xnt1;

         xpr2 = xnt2;

               richTextBox1.Text += i.ToString("") +

                  "      " + xnt1.ToString("0.000000") + "      " + xnt2.ToString("0.000000")

                  + "      " + func(xnt1, xnt2).ToString("0.000000") + "\n";

               

        } while( Math.Abs(funpro) > err);

           label6.Text = "Minimum in:  ( " + xnt1.ToString("0.00") + " ; " + xnt2.ToString("0.00") + " )"+ "\n      F(x1,x2)=   " + func(xnt1, xnt2).ToString("0.00");

       }

       private void вихідToolStripMenuItem_Click(object sender, EventArgs e)

       {

           this.Close();

       }

       private void проПрограмуToolStripMenuItem_Click(object sender, EventArgs e)

       {

           AboutBox1 a = new AboutBox1();

           a.Show();

       }

   }

}

Форма Form1.cs

Форма AboutBox1.cs

Реалізація:


СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Барінський А.Ф. і ін. Математичне програмування та дослідження операцій. – Л.: Інтелект- Захід, 2008. – 588с.: іл.

2. Барінський А.Ф. і ін. Математичне програмування. – Л.: Інтелект-Захід, 2004. – 448с.: іл.

3. Зайченко Ю.П. Дослідження операцій. – К.: ДМК Пресс, 2006. – 576с.: іл.

4. Долженков В.А., Колесников Ю.В. Microsoft Excel 2000. – СПб.: БХВ-Петербург, 2001. – 1088с.

5. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000 Pro. – М.: ДМК Пресс, 2001. – 576с.

6. Таха Хэмди А. Введение в исследование операций, 6-е издание: Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2001. – 912с.: ил.

7. Наконечний С. І., Савіна С. С. Математичне програмування: Навч. посіб. — К.: КНЕУ, 2003. — 452 с.

Висновок: на цій лабораторній роботі я ознайомився з градієнтним методом числової оптимізації, набув навиків розв’язку та аналізу задач нелінійного програмування градієнтним методом та розробив конкурентоспроможну програму оптимізації градієнтним способом.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7932. Становище населення України на початку ХХ століття 54.5 KB
  Урок №3. Становище населення України на початку ХХ століття. Мета уроку: Визначити соціальне становище на українських землях на початку ХХ століття. Діяльність політичних партій в Україні на початку ХХ століття розвивати вміння учнів отримувати нов...
7933. Революція 1905—1907 років 24.46 KB
  Урок №4 Революція 1905 років Мета: Проаналізувати причини та наслідки Революції 1905-1907. Громадянські та політичні рухи розвивати в учнів вміння визначати причинно-наслідкові зв’язки між історичними явищами та подіями виховувати в...
7934. Україна в 1907–1914 роках 53 KB
  Тема уроку. Україна в 1907 роках. Мета: Розглянути становище в Україні в 1907-1914 роках. Виховувати почуття патріотичної свідомості. Розвивати вміння аналізувати історичні факти. Обладнання: Підручник, настінна карта, атлас, контурні карт...
7935. Розвиток Української культури на початку ХХ століття 23.73 KB
  Тема уроку. Розвиток Української культури на початку ХХ століття. Мета уроку: Розглянути розвиток Української культури на початку ХХ століття. Розвивати вміння аналізувати історичні факти. Виховувати почуття патріотизму та любові до вітчизняної істо...
7936. Воєнні дії на території України в 1915-1917 роках 47 KB
  Воєнні дії на території України в 1915-1917 роках Мета: зясувати основні воєнні події в 1915-1917 роках та наслідки І світової війни, розвивати навички аналізу історичних фактів, вміння виділяти головне, сприяти формуванню національної свідом...
7937. Вступ до курсу Історія вітчизняної культури 74 KB
  Тема уроку: Вступ до курсу Історія вітчизняної культури. Мета уроку: ознайомити учнів і основами курсу історії Української культури ознайомити з теоретичними засадами культурології як науки розвивати в ліцеїстів вміння розрізняти аспекти культур...
7938. Особливості розвитку культури в 30-х роках 69 KB
  Найхарактернішою рисою, притаманною культурі України тих років, була її заідеологізованість. Культурні зрушення, що відбувалися в Радянському Союзі протягом довоєнних п'ятирічок, у т. ч. оволодіння грамотою мільйонами, формування нової генерації інтелігенції, розвиток науки, літератури, мистецтва..
7939. Доба українського національного відродження. (ХІХ – початок ХХ століття) 86.96 KB
  Доба українського національного відродження. (ХІХ - початок ХХ століття). Один з представників нової української історіографіїІ. Лисяк-Рудницький вважає, що процес українського національно-культурного відродження тривав130...
7940. Особливості культурного життя доби відновлення української державності (1917-1920 рр.) 69.11 KB
  Особливості культурного життя доби відновлення української державності (1917-1920рр.). В цей період поступ української культури відбувався в період гострого військово-політичного протистояння, національно-визвольних змагань, громадян...