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

36465. Трансформация социально-политических отношений в рамках индустриальной цивилизации 46.5 KB
  Средоточием политической власти является государство опирающееся на систему правовых норм органы власти и управления армию аппарат идеологического воздействия на свою экономическую силу. когда впервые по приговору парламента был казнен король как символ абсолютной власти. Восстановившаяся после власти Кромвеля монархия получила чисто представительские полномочия. Провозглашение императором Наполеона восстановившего ряд признаков абсолютной власти имело иную социальную подоплеку: это была форма диктатуры победившей буржуазии.
36467. Утверждение капитализма в России 53.5 KB
  промышленный переворот в России начался позднее чем в Западной Европе только в 30 40е гг. Витте один из крупнейших преобразователей в истории России занимал пост министра финансов с 1892 по 1903 гг. Открытие России иностранным капиталом произошло в 50е гг.
36468. Мировые войны и кризис индустриального общества 46.5 KB
  германские войска в конечном счете потерпели тяжелое поражение и правительство Германии обратилось к США с предложением о перемирии. Но еще до подписания перемирия в Германии началась революция. Этот кризис способствовал обострению внутриполитической ситуации в Германии Италии и Испании что привело к возникновению в этих странах фашистских партий захвативших власть в 192030 гг.
36470. Основные прогнозируемые характеристики постиндустриальной цивилизации 31 KB
  Человек: Произойдут изменения в численности населения. 2 Благодаря планированию семьи повышается образовательный уровень и рост уровня жизни темпы роста населения стабилизируются. Сократится разрыв между странами а в обществе сильно вырастит доля пожилого населения но и в этом случае нагрузка на ресурсы будет чрезмерной. В этом случае стабилизация численности населения позволит вкладывать больше средств в производство и улучшения качества жизни.
36471. Глобальные риски в рамках перехода к постиндустриальной цивилизации 31.5 KB
  Эти проблемы ресурсноэкономические 2 демографические 3мирохозяйственные проявляются через кризисы в том числе в области здравоохранения образования культуры в растущей преступности что позволяет многим ученым говорить о глобальном кризисе цивилизации.Среди ученых нет единства во взглядах на перспективы современной цивилизации на ее способность решить угрожающие ей противоречия. Опираясь на исторический опыт многие из них справедливо полагают что возможен вариант гибели современной цивилизации В качестве основы для столь...
36472. Древняя Греция 36.5 KB
  ранняя Греция возникают общества разделенные на классы Архаическим периодом в истории Греции обычно называют VIII VI вв. По мнению некоторых исследователей это время наиболее интенсивного развития античного общества. Действительно в течение трех столетий были сделаны многие важнейшие открытия определившие характер технической основы античного общества развились те социальноэкономические и политические явления которые придали античному обществу определенную специфику по сравнению с другими рабовладельческими обществами:...
36473. Древний Египет 29 KB
  групп перед властью Моноотраслевая экономика всегда ведет к жесткой политической системе с одним центром силы Главное достижение появление профессиональной армии Межгосударственная дипломатия появление письменных договоров мир на вечные времена Единое централизованное государство главное в политике Духовная жизнь Агрокультурный календарь Развитие государства и налоговой базы обеспечение финансовой системы государства а затем и бюрократической появление письменности Наука эмпирическая путем наблюдения теоретическая...