TNK049 Optimeringslära

Relevanta dokument
TNK049 Optimeringslära

Optimalitetsvillkor. Optimum? Matematisk notation. Optimum? Definition. Definition

Extrempunkt. Polyeder

TNSL05 Optimering, Modellering och Planering. Föreläsning 6

TNK049 Optimeringslära

1 Ickelinjär optimering under bivillkor

Lösningsförslag till tentamen i SF1861 Optimeringslära för T. Onsdag 25 augusti 2010 kl

Olinjär optimering med bivillkor: KKT min f (x) då g i (x) 0 för alla i

Lösningsförslag till tentamen i SF1861 Optimeringslära för T. Torsdag 28 maj 2010 kl

TNK049 Optimeringslära

5B1817 Tillämpad ickelinjär optimering. Optimalitetsvillkor för problem med linjära bivillkor.

5B1817 Tillämpad ickelinjär optimering. Metoder för problem utan bivillkor, forts.

TNK049 Optimeringslära

Linjärprogramming. EG2205 Föreläsning 7, vårterminen 2015 Mikael Amelin

1 Duala problem vid linjär optimering

Optimeringslära Kaj Holmberg

z = min 3x 1 2x 2 + y Fixera y, vilket ger subproblemet

TAOP14: Optimeringslära SAMMANFATTNING OSKAR QVIST:

Optimeringslära Kaj Holmberg

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Fredag 16 januari 2009 TID:

Flervariabelanalys I2 Vintern Översikt föreläsningar läsvecka 2

Examinator: Torbjörn Larsson Jourhavande lärare: Torbjörn Larsson, tel Tentamensinstruktioner. När Du löser uppgifterna

Några kommentarer om optimering under bivillkor Thomas Andrén

TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1/TM1, TMA

MICROECONOMICS Mid Sweden University, Sundsvall (Lecture 2) Peter Lohmander &

TAOP61/TEN 1 OPTIMERING AV REALISTISKA SAMMANSATTA SYSTEM

Tentamen TMA946/MAN280 tillämpad optimeringslära

Y=konstant V 1. x=konstant. TANGENTPLAN OCH NORMALVEKTOR TILL YTAN z = f ( x, LINEARISERING NORMALVEKTOR (NORMALRIKTNING) TILL YTAN.

Optimeringslära Kaj Holmberg

TNSL05 Optimering, Modellering och Planering. Föreläsning 10

5B1817 Tillämpad ickelinjär optimering. Kvadratisk programmering med olikhetsbivillkor Active-set metoder

TAOP61/TEN 1 OPTIMERING AV REALISTISKA SAMMANSATTA SYSTEM

En bijektion mellan två mängder A och B som har ändligt antal element kan finnas endast om mängderna har samma antal element.

Lösningar till 5B1762 Optimeringslära för T, 24/5-07

Lösningar till tentan i SF1861 Optimeringslära, 1 juni 2017

Optimeringslara = matematik som syftar till att analysera och. Optimeringslara ar en gren av den tillampade matematiken.

Optimering Linjär programmering

Tentamensinstruktioner. När Du löser uppgifterna

Optimeringslära för T (SF1861)

1 Konvexa optimeringsproblem grundläggande egenskaper

Optimeringslära Kaj Holmberg

Institutionen för Matematik TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA DAG: Lördag 26 maj 2001 TID:

De optimeringsproblem som kommer att behandlas i denna kurs kan alla (i princip) skrivas. 1 2 xt Hx + c T x. minimera

Flöde i nätverk. Flöde i nätverk. Specialfall av minkostnadsflödesproblemet

Vinsten (exklusive kostnaden för inköp av kemikalier) vid försäljning av 1 liter fönsterputs är 2 kr för F1 och 3 kr för F3.

x 4 a b X c d Figur 1. Funktionsgrafen y = f (x).

EXAMENSARBETEN I MATEMATIK

TNK049 Optimeringslära

Institutionen för Matematiska Vetenskaper TENTAMEN I LINJÄR ALGEBRA OCH NUMERISK ANALYS F1, TMA

Icke-linjära ekvationer

Tentamensinstruktioner. När Du löser uppgifterna

TAOP07/TEN1 OPTIMERINGSLÄRA GRUNDKURS för Y. Antal uppgifter: 7 Uppgifterna är inte ordnade efter svårighetsgrad.

Lösningar till tentan i SF1861 Optimeringslära, 3 Juni, 2016

RELATIONER OCH FUNKTIONER

TAOP88/TEN 1 OPTIMERING FÖR INGENJÖRER

TAOP52: Optimeringslära grundkurs

Optimering av dosplanering. Crister Ceberg

Optimeringslära Kaj Holmberg

Föreläsning 7: Kvadratisk optimering. 4. Kvadratisk optimering under linjära bivillkor

Icke-linjära ekvationer

Optimeringslära Kaj Holmberg

Föreläsning 10/11! Gruppuppgifter: Gruppuppgift 1: Alla har redovisat. Gruppuppgift 2: Alla har redovisat Gruppuppgift 3: På gång.

Tentamensinstruktioner

LP-dualitet: Exempel. Vårt första exempel. LP-dualitet: Relationer. LP-dualitet: Generellt

Vårt första exempel. LP-dualitet: Exempel. LP-dualitet: Generellt. LP-dualitet: Relationer

TAOP61/TEN 1 OPTIMERING AV REALISTISKA SAMMANSATTA SYSTEM

TAOP61/TEN 1 OPTIMERING AV REALISTISKA SAMMANSATTA SYSTEM

Optimeringsproblem. 1 Inledning. 2 Optimering utan bivillkor. CTH/GU STUDIO 6 TMV036c /2015 Matematiska vetenskaper

TAOP86/TEN 1 KOMBINATORISK OPTIMERING MED

Tentamensinstruktioner. Vid skrivningens slut

1(8) x ijt = antal mobiltelefoner av typ i=1,,m, Som produceras på produktionslina 1,, n, Under vecka t=1,,t.

Lösningar till SF1861 Optimeringslära, 28 maj 2012

Kurser inom profilen Teknisk matematik (Y)

Föreläsning 2: Simplexmetoden. 1. Repetition av geometriska simplexmetoden. 2. Linjärprogrammeringsproblem på standardform.

Optimeringslära Kaj Holmberg. Lösningar/svar. Iteration 2: x 2 s

Optimering, exempel. Funktionens enda stationära punkt är alltså origo. Den ligger också i det inre av mängden.

Lösningar/svar. Uppgift 1. Tekniska Högskolan i Linköping Optimering av realistiska sammansatta system. Optimeringslära Kaj Holmberg

TAOP14: Optimeringslära grundkurs

TAOP14: Optimeringslära grundkurs

1. Vad är optimering?

TAOP88/TEN 1 OPTIMERING FÖR INGENJÖRER

Speciell användning av heltalsvariabler. Heltalsprogrammering. Antingen-eller-villkor: Exempel. Speciell användning av heltalsvariabler

Tentamensinstruktioner

TNSL05 Optimering, Modellering och Planering. Föreläsning 4

Lösningar till SF1861/SF1851 Optimeringslära, 24/5 2013

Flöde i nätverk. Flöde i nätverk. Specialfall av minkostnadsflödesproblemet

TAOP88/TEN 1 OPTIMERING FÖR INGENJÖRER

TAOP88/TEN 1 OPTIMERING FÖR INGENJÖRER

Tentamensinstruktioner. När Du löser uppgifterna

Lösningar till tentan i SF1861/51 Optimeringslära, 3 juni, 2015

När det gäller en motor kanske man vill maximera verkningsgraden för att hålla nere bränslekostnaden men inte till vilket pris som helst.

Lösningsförslag Tentamen i Optimering och Simulering MIO /5 2006

En bijektion mellan två mängder A och B som har ändligt antal element kan endast finnas om mängderna har samma antal element.

Flöde i nätverk. Flöde i nätverk. Specialfall av minkostnadsflödesproblemet. Specialfall av minkostnadsflödesproblemet. Slutsats.

Lösningar till SF1852 Optimeringslära för E, 16/1 08

Vinsten (exklusive kostnaden för inköp av kemikalier) vid försäljning av 1 liter fönsterputs är 2 kr för F1 och 3 kr för F3.

VÄXANDE OCH AVTAGANDE FUNKTIONER. STATIONÄRA(=KRITISKA) PUNKTER. KONVEXA OCH KONKAVA FUNKTIONER. INFLEXIONSPUNKTER

Analys av funktioner och dess derivata i Matlab.

LP-problem. Vårt första exempel. Baslösningar representerar extrempunkter. Baslösningar representerar extrempunkter

Denna föreläsning. DN1212 Numeriska metoder och grundläggande programmering FN Runge-Kuttas metoder. Repetition av FN6 (GNM kap 6.

Transkript:

TNK049 Optimeringslära Clas Rydergren, ITN Föreläsning 9 Icke-linjär optimering Konveitet Metoder ör problem utan bivillkor Optimalitetsvillkor ör icke-linjära problem

Icke-linjär programmering Non-linear programming (NLP) Problem i kontinuerliga variabler. min då g i ( ( ) ) b i, i = K m Minst en av (), ( ), i g i är ickelinjär Förkortningen ILP står i engelsk litteratur otast ör Integer Linear Programming, dvs linjära heltalsproblem.

Övertid jämört med stordrit Som en del i en linjär produktionsplaneringsmodell, där vi vill minimera kostnaden, har vi en variabel som är örenad med kostnaden c. Jämör nu öljande två all: Över en viss gräns = u måste produktionen ske på övertid, dvs c ersätts med d > c, ör alla > u. z d c e Över en viss gräns = u uppnår man stordrit i produktionen, dvs c ersätts med e < c ör alla > u. = u Vilket av allen är knepigast att hantera? Varör? 3

Olika typer av icke-linjär programmering Ota är samband inte linjära Skalördelar Avstånd Mekanik/konstruktion Ingen universalalgoritm inns Anpassa algoritm till problem Ota mycket svårlösta problem Eempel klassiiceringar Med visavi utan bivillkor Linjära visavi ickelinjära bivillkor Konvet visavi icke-konvet problem När man pratar om icke-linjära (nonlinear) problem brukar man normalt också örutsätta att det är problem i kontinuerliga variabler. 4

Sökmetoder ör icke-linjär programmering Sökmetoder bygger otast på att lösa örenklade/approimativa problem Otast hittar sökmetoder lokala optimum och ibland bara lokala stationära punkter Konvea problem enklare att hantera Varje lokalt optimum är också ett globalt optimum. 5

Konveitet Konvet problem Minimera konve unktion över konvet område Alternativt maimera en konkav unktion över ett konvet område. Konvea unktioner Summan av konvea unktioner konve unktion Eempel: = + 4 + e Om g() är konve, och h(y) är konve och icke-avtagande, så måste = h g vara en konve unktion. Eempel: = e +4 Konvea mängder Konve unktion begränsad uppåt är en konve mängd X = g i b i, i Skärningen (snittet) av konvea mängder är en konve mängd X = X X X p där X, X,, X p är konvea mängder. Skärning av icke-konvea mängder kan vara konve mängd. 6

Undersöka konveitet Betrakta (). En unktion kan vara Konve Strikt konve Konkav Strikt konkav Varken konve eller konkav (Både konve och konkav) Inör gradienten Vektor av partiella derivatorer: Inör Hessianen Matris av partiella andraderivatorer Man kan se Hessianen som en Jacobian till gradient-unktionen. Hessianen tecknas ibland. = n ) ( = ) ( n n n H K K K 7

Konvea unktioner = ) ( h = ) ( h K = ) ( h 3 Beräkna Hessianens egenvärden, λ Om λ i > 0 0, i är H() positivt (semi-) deinit, och då är () strikt konve (konve) Studera ledande underdeterminanterna Beteckna Om det h i > 0 i, är H() positivt deinit. Eempel! 8

Obegränsad optimering Obegränsad = utan bivillkor (kap 0) Kallas unconstrained på engelska. Mängden tillåtna lösningar är obegränsad. Ma/Min till målunktionen är normalt begränsade. Obegränsad = oändlig Kallas unbounded på engelska. Mängden tillåtna lösningar är begränsad eller obegränsad. Ma eller min till unktionen saknas: (ör min), eller + (ör ma) på mängden tillåtna lösningar. 9

Optimalitet i optimeringsproblem utan bivillkor Nödvändiga villkor Om skall vara optimum till min (), måste ( ) = 0. Tillräckliga villkor Om ( ) = 0 och () konve är (globalt) optimum till min (). Begrepp Descentriktning d (k) : (k) d k < 0. Riktning i vilken unktionsvärdet minskar. Ascentriktning d (k) : (k) d k > 0. Riktning i vilken unktionsvärdet ökar. Descentriktningar * ( * ) 0

Sökmetoder i jämörelse Steg Allmänt 0 Utgå rån en tillåten lösning, Utan bivillkor (icke-linjärt) Valri punkt (allt tillåtet) Bestäm tillåten och örbättrande sökriktning Se på gradient (Brantaste lutning)/ Hessian (Newton) Bestäm steglängd Linjesökning 3 Uppdatera och upprepa Uppdatera och upprepa.

Brantaste lutning-metoden (Steepest descent method) 0) Börja i valri punkt, (0) Sätt k = 0 ) Beräkna sökriktning Beräkna gradienten (k) Sökriktning ges av Maproblem: d (k) = (k) Minproblem: d (k) = (k) ) Kontrollera avbrottskriterium 3) Bestäm steglängd, t (k) Gör linjesökning t (k) = arg min t 0 k + t d (k) Analytiskt om möjligt (Se även kap 0.4) 4) Beräkna ny punktsteglängd (k+) = (k) + t (k) d (k) 5) Sätt k = k + och gå till Avbryt om (k) < ε 0 (k) (tillräckligt nära) optimum. Alternativa kriterier inns!

Newtons metod (Newton s method) 0) Börja i valri punkt, (0) Sätt k = 0 ) Beräkna sökriktning Beräkna gradienten (k) Beräkna hessianen H (k) Och dess invers H (k) Sökriktning ges av H (k) (k) ör både ma- och minproblem. ) Kontrollera avbrottskriterium 3) Bestäm steglängd, t (k) t (k) om Newtons metod Linjesökning (se kap 0.4) ger Newtons modiierade metod. 4) Beräkna ny punktsteglängd (k+) = (k) + t (k) d (k) 5) Sätt k = k + och gå till Avbryt om (k) < ε 0 3 (k) (tillräckligt nära) optimum. Alternativa kriterier inns!

Modiierade Newton-metoder Totala beräkningstiden viktigast I varje iteration behövs en riktning och en steglängd. Approimera ör att hitta riktning Om tidsbesparande T e approimera Hessianen Ger Marquardts modiiering eller kvasi-newton-metoder Approimera ör att hitta steglängd Om tidsbesparande kan man använda en ineakt (ickeanalytiskt) beräknad steglängd 4

Linjesökning Hur bestämmer man optimal steglängd? Analytiskt (ungerar enbart i små all eller all med speciell struktur där den kan härledas ram). Approimativt Gyllene snitt Intervall-halvering Newton Raphson Armijos metod Det är den totala beräkningstiden som är intressant! Ibland tar det lång tid bara att evaluera () ör olika! 5

Optimalitetsvillkor ör icke-linjära problem För optimeringsproblemet min, då g i b i, i är lokalt optimum om Karush Kuhn Tucker-villkoren (KKT-villkoren) nedan är uppyllda. Dual tillåtenhet Målunktionsgradienten ligger i den kon som bildas av de (bindande) bivillkorens normaler: = v i g i i v i 0, i Primal tillåtenhet, g i b i, i Komplementaritet, v i g i b i = 0, i 6

Graisk tolkning av optimalitetsvillkoren min ( ), då g i ( ) b, i. i g ( 3 ) Tillåtet område här! * g ( ) g ( ) g ( * ) g ( * ) 3 ( * ) 7

Uppgit 9.6: Inör Lektion 9 Koveitet. Dela upp målunktionen i tre delar, utnyttja Sats 9.4. Bivillkoren kan undersökas ett och ett, utnyttja Sats 9.. Uppgit 0.5: Ett konvet problem utan bivillkor. Brantaste lutnings-metoden. Newtons metod. 8

www.liu.se