Методи розв’язування одновимірних та багатовимірних нелінійних оптимізаційних задач та задач лінійного цілочислового програмування

Міністерство освіти і науки України

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

Факультет інформаційно-телекомунікаційних технологій та систем

Кафедра прикладної математики, інформатики і математичного моделювання

КУРСОВА РОБОТА

з дисципліни «Методи оптимізації і дослідження операцій»

на тему: «Методи розв’язування одновимірних та багатовимірних нелінійних оптимізаційних задач та задач лінійного цілочислового програмування»

301-ЕІ. 20 06165 КР

Керівник роботи

кандидат фіз.-мат. Наук Радченко Г.О.

Розробила

студентка гр. 301-ЕІ Клюєва А.Ю.

Полтава 2009

Зміст

1. Методи розв’язування одновимірних оптимізаційних задач

2. Визначення найменшого значення функції на заданому відрізку за допомогою методів одновимірної оптимізації

3. Розв’язання задачі мінімізації за допомогою методу Ньютона і методу найшвидшого спуску

4. Розв’язання задачі умовної оптимізації за допомогою методу Франка-Вулфа і методу штрафних функції

5. Розв’язання задачі цілочислового програмування

6. Вихідний код програм

Список використаної літератури

1. Методи розв’язування одновимірних оптимізаційних задач

Розглянемо детально методи розв’язування одновимірних задач, а саме: метод дихотомії, метод золотого перерізу і метод Фібоніччі.

Одновимірна оптимізація полягає в знаходженні точки , в якій цільова функція приймає максимальне або мінімальне значення. Часто в постановках задач може бути заданий відрізок , в якому знаходиться оптимальне рішення.

Функція має локальний мінімум в точці , якщо при довільному існує окіл такий, що для всіх значень в цьому околі . Функція має глобальний мінімум в точці , якщо для всіх х справедлива рівність .

Відповідно функція має локальний максимум в точці , якщо при довільному існує окіл такий, що для всіх значень в цьому околі . Функція має глобальний мінімум в точці , якщо для всіх х справедлива рівність .

Класичний підхід до задачі знаходження екстремумів функції полягає в пошуку умов, яким вони повинні задовольняти. Необхідною умовою екстремуму в точці являється рівність нулю першої похідної (теорема Ферма), тобто вимагається розв’язати рівняння: . Даному рівнянню задовольняють як локальні та глобальні екстремуми, так і точки перегину функції, тому приведена умова є лише необхідною умовою, але не достатньою.

З метою отримання достатніх умов вимагається обчислення значень других похідних в точках, що задовольняють рівняння . При цьому доведено, що мінімуму функції відповідає додатне значення другої похідної, тобто , а максимуму – від’ємне, тобто . Однак, якщо друга похідна дорівнює 0, ситуація залишається невизначеною і необхідно досліджувати вищі похідні. При цьому якщо перша вища похідна не рівна нулю має парний порядок, то екстремум існує, в іншому випадку – ні.

Дамо визначення унімодальної функції при пошуку мінімуму.

Неперервна функція називається унімодальною на відрізку якщо:

точка локального мінімуму функції належить відрізку ;

для довільних двох точок відрізка х1 і х2, взятих по одну сторону від точки мінімуму, точці х1 більш близькій до точки мінімуму відповідає менше значення функції, тобто при або при справедлива нерівність .

Достатня умова унімодальності функції на відрізку ґрунтується на наступній теоремі:

Якщо функція двічі диференційована на відрізку і в будь-якій точці цього відрізка, то - унімодальна функція на відрізку .

Відмітимо, що умова визначає множину точок, на якій функція являється опуклою вниз. Умова ж визначає опуклу вгору функцію, яка на відрізку має максимум і також являється унімодальною.

Метод половинного ділення, який також називається методом дихотомії, являється процедурою послідовного пошуку мінімуму фунуції. Нехай визначено відрізок , якому належить точка локального мінімуму х, і функція являється унімодальною на цьому відрізку. Далі для звуження проміжку унімодальності використовуються дві точки і , розташовані симетрично на відстані від середини відрізка:

;

.

Константа повинна бути меншою допустимої кінцевої довжини відрізка, Δk= bk- ak > 0.

Потім обчислюють значення функції в цих точках y1=f(x1) і y2=f(x2) і в залежності від їх співвідношення нові межі відрізка унімодальності [a1, b1] будуть наступні:

• y1 < y2, a1=a0 і b1=x2 ;

• y1 > y2, a1=x1 і b1=b0 ;

• y1 = y2, a1=x1 і b1= x2 .

В цьому звуженому проміжку [a1, b1] знову розраховуються дві точки х1(1) і х2(1), симетричні відносно його середини і значення функції в цих точках. Процедура буде продовжуватись до тих пір, поки не буде виконуватись умова Δk = bk-ak ≤ ε, де ε – точність пошуку, і тоді в якості точки локального мінімуму можна наближено прийняти середину відрізку .

Назва методу половинного ділення мотивована тим, що якщо величина ε достатньо мала, то довжина відрізка унімодальності (b – a) зменшується майже вдвічі.

Наступним методом знаходження екстремуму для задач одновимірної оптимізації є метод золотого перерізу.

Термін “золотий переріз” ввів Леорандо да Вінчі. Точка х1 являється золотим перерізом відрізка , якщо відношення довжини b-a всього відрізка до довжини b-х1 більшої частини дорівнює відношенню довжини більшої до довжини х1-а меншої частини, тобто х1 – золотий переріз, якщо справедлива рівність: . Аналогічно, точка х2 симетрична точці х1 відносно середини відрізка , являється другим золотим перерізом цього відрізка.

Відмітимо властивість золотого перерізу: точка х1 одночасно являється золотим перерізом відрізка , а друга точка х2 – золотим перерізом відрізка .

Суть методу золотого перерізу заклечається в наступному. Спочатку на вихідному відрізку знаходяться точки х1 і х2 по наступним формулам:

- коефіцієнт зжимання.

Потім обчислюють значення функції в точках х1 і х2, тобто . При цьому можливі два випадки:

, в цьому випадку новий відрізок буде рівним і . На цьому відрізку знову обираються дві точки

, тоді новий відрізок будуть становити: . На новому відрізку також обираються дві точки

І в першому і в другому випадках розраховується лише одна нова точка (друга відома). В новій точці обчислюється значення функції і знову відбувається порівняння в двох точках, і в залежності від цього обирається новий відрізок. Процедура виконується до тих пір, доки не буде виконуватись умова , де - точність пошуку.

Розглянемо також метод Фібоначчі для розв’язування одновимірних задач . Цей метод названий так зважаючи на появу при пошуку проміжків унімрдальності чисел Фібоначчі і використовується, якщо кількість ітерації обмежена . Суть методу в тому, що на кожному кроці точка наступного обчислення обирається симетрично відносно середини відрізка локалізації до точки, що лежить всередині цього відрізку, уже проведеного обчислення. Тобто в процесі пошуку інтервалу (x1; x3) з точкою х2, вже лежачою в цьому інтервалі, наступна точка х4 завжди вибирається так, що х3–х4 = х2–х1 або х4-х1 = х3-x2, тобто x4=х1-х2+х3.

Алгоритм методу Фібоначчі поляга в наступному:

задаються початкові границі відрізку і , точність обчислень .

розраховуються початкові точки ділення:

- це число із послідовності Фібоначчі, яке знаходиться з умови