9892

Классические методы безусловной оптимизации

Реферат

Математика и математический анализ

Классические методы безусловной оптимизации Классический подход к задаче определения локальных и глобальных минимумов состоит в использовании методов математического анализа для поиска уравнений, которым должны удовлетворять эти точки, и для решения...

Русский

2013-03-18

101 KB

10 чел.

Классические методы безусловной оптимизации

Классический подход к задаче определения локальных и глобальных минимумов состоит в использовании методов математического анализа для поиска уравнений, которым должны удовлетворять эти точки, и для решения этих уравнений.

Определение 1.1. Функция f(x) одной переменной имеет локальный минимум в точке x, если существует , такая, что  для всех , то есть если существует некоторая окрестность точки , в которой значение функции в любой ее точке больше, чем .

Определение 1.2. Функция имеет глобальный минимум в точке , если  для всех x из области определения f(x).

     

0

      

   

Из рисунка 1 видно, что в точках и касательная к графику функции будет параллельна оси OX, а это означает, что производная функции в этих точках будет равна нулю. Следовательно, и будут решениями уравнения .

Однако это же справедливо и для точки максимума , и для точки перегиба . Таким образом, найденное уравнение является необходимым условием минимума, но не является достаточным.

В точках и производная  меняет знак с отрицательного на положительный, в - с положительного на отрицательный, в точке производная знак не меняет. Следовательно, в точке минимума производная является возрастающей функцией. Степень же возрастания измеряется второй производной, то есть в нашем случае , , . Однако если , то ситуация остается неопределенной.

Надежное основание для полученных результатов дает разложение функции в ряд Тейлора в окрестности точки ( , ).

 

Если - точка минимума, то для любого достаточно малого .

Если , то отрицательное h сделает отрицательной разность , что невозможно в точке минимума. Если, то произойдет то же самое, если выбрать положительное h. Следовательно,  - это необходимое условие существования минимума в точке .

Так как всегда, то при  и  всегда выполняется , то есть   - точка минимума, а при ,  (h - любое) и - точка максимума. Следовательно, это достаточные условия.

Если же , то рассуждения, аналогичные проведенным для первой производной, можно повторить для  и так далее.

Это позволяет сформулировать следующее правило:

Теорема 1(необходимое и достаточное условие существования экстремума функций одной переменной). 

Если функция и ее производные непрерывны, то точка является точкой экстремума (максимума или минимума) тогда и только тогда, когда порядок ее первой, не обращающейся в ноль в точке производной есть четное число. При этом, если , то - точка максимума, если , то - точка минимума.

Таким образом, при классическом подходе для поиска минимума функции одной переменной необходимо решить уравнение  и установить знак  в полученных точках. Аналитическое решение такого уравнения в общем случае невозможно, поэтому используются методы приближенного решения уравнения , известные из математического анализа (методы Ньютона, бисекций, и т.д.).

Рассмотрим функцию   действительных переменных. Введем матричные обозначения для точки в n-мерном пространстве, градиента (вектора частных производных первого порядка функции f) и гессиана (матрицы частных производных второго порядка):

 - точка в n-мерном пространстве,

- градиент,

- гессиан (матрица Гессе).

- элемент -  частная производная второго порядка.

Напомним, что - симметрическая матрица.

Определение 3. Функция имеет локальный минимум в точке , если существует окрестность точки , такая, что во всех точках этой окрестности, то есть существует такая >0, что для всех  справедливо .

Определение 4. Если для всех из области определения функции f, то - точка глобального минимума.

Предполагая непрерывность и всех ее частных производных, можно обобщить классический подход на случай n2.

Запишем разложение функции в ряд Тейлора:

=  .   H = (h1, h2, . . . , hn)T.

Тогда, если - точка минимума функции , то каждая первая частная производная  должна обращаться в ноль в точке , иначе соответствующим выбором можно будет добиться того, что разность будет отрицательна.

Следовательно, необходимое условие существования минимума в точке :

  .

Тогда знак разности определяется членом , который положителен для всех , если матрица положительно определена, и отрицателен при отрицательно определенном гессиане.

Достаточное условие минимума:

- положительно определена.

Достаточное условие максимума:

- отрицательно определена.


Пример:

, тогда

положительно определена при любом Х,

поэтому точка (2, 4, 6) является точкой локального минимума, а так как это единственная стационарная точка, то она же является и точкой глобального минимума.

Таким образом, для решения задачи оптимизации классическим методом необходимо решить систему уравнений , что невозможно сделать аналитически за исключением очень узкого класса таких систем (например, система линейных уравнений невысокого порядка). Затем придется еще устанавливать определенность гессиана, что тоже является совсем нетривиальной задачей в случае больших размерностей. Все это приводит к необходимости разрабатывать итерационные процедуры решения задач оптимизации.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24319. Понятие маркетинговых исследований. Предмет, объект и направления маркетингового исследования 24.5 KB
  Предмет объект и направления маркетингового исследования. Маркетинговые исследования систематическое определение круга данных необходимых в связи со стоящей перед фирмой маркетинговой ситуации их сбор анализ и отчет о результатах. Главная цель исследования уменьшение неопределенности которая всегда сопутствует принятию маркетинговых решений. Сам процесс маркетингового исследования включает три основных этапа.
24320. Создание Swing GUI в IDE Net Beans 736 KB
  В этом занятии приведено пошаговое описание процесса создания графического интерфейса пользователя для приложения с именем ContactEditor с помощью конструктора графического интерфейса пользователя IDE NetBeans. Целью является проектирование программы интерфейса пользователя, позволяющей просматривать и редактировать записи базы данных
24322. Поведение покупателей. Модели поведения индивидуальных покупателей и покупателей-организаций 36.5 KB
  Поведение потребителей определяется как действия непосредственно связанные с получением потреблением и распоряжением товарами и услугами включая процессы принятия решения которые предшествуют и следуют за этими действиями Э. Потребительское поведение распределение дохода между товарами и услугами которые он собирается приобрести Т. Поведение конечных потребителей обусловлено прежде всего характером самих потребностей.
24323. Сегментация рынка, отбор целевых критериев рынка. Критерии сегментации 30.5 KB
  Сегментация рынка отбор целевых критериев рынка. Сегментирование рынка представляет собой разбивку рынка на четкие группы покупателей для каждой из которых могут потребоваться отдельные товары и или комплексы маркетинга. Какогото единого метода сегментирования рынка не существует: используются варианты включающие от отсутствия сегментирования до полного сегментирования. Для того чтобы целевой рынок с помощью маркетингового исследования сделать более доступным для продавца остается выяснить: нет ли внутри существующего рынка как целого...
24324. Исследование классов в Java 772.5 KB
  На занятии рассматривается порядок объявления и применения классов и их членов при разработке приложений для Java SE в IDE NetBeans. Для выполнения заданий этого занятия требуются программное обеспечение и ресурсы
24325. Позиционирование товара на рынке. Способы и этапы выбора позиции 35 KB
  Позиционирование товара на рынке. Позиционирование по мнению специалистов это деятельность по выбору целевых сегментов задающих области конкуренции и выбор отличительных преимуществ определяющих методы конкурентной борьбы. Всегда ли уместно позиционирование Не рекомендуется тратить время и деньги если целевой сегмент малорентабелен слишком мал сам по себе качество и характеристики предлагаемого товара и товаров конкурентов малозначимы для реальных покупателей издержки позиционирования превышают прибыль от него. Вместе с тем...
24326. Исследование циклических конструкций Java 183 KB
  Оператор цикла for(цикл со счетчиком). Оператор цикла while (цикл с предусловием). Оператор цикла do...while (цикл с постусловием). Конструкции перехода (прерывания)
24327. Понятие сбыта и сбытовой политики фирмы 46 KB
  Понятие сбыта и сбытовой политики фирмы. комплексность с другими элементами маркетингамикс скоординированность сочетание решений в сфере сбыта ценообразования коммуникаций сервиса и др. системность рассмотрение сбыта и остальных инструментов как элементов вызывающих синергетический эффект от их совместного применения гибкость готовность к пересмотру своих позиций в случае необходимости. Задача сбытовой политики управление конкурентоспособностью товара путем управлением каналами сбыта планирование длины ширины и...