第12章 其它优化问题及算法

例：多目标优化问题
该问题是一个非线性多目标规划 问题，将它用数学语言描述出来，就 是：求 x1 、 x2 ，使
max f1 ( x1 , x2 ) 0.60x1 0.70x2
2 min f 2 ( x1 , x2 ) 0.001x12 0.002x2 0.001x1 x2
而且满足 x1 x2 1 000 x1 x2 0 x , x 0 1 2
前后侧面
把粮食从仓库运到工厂，所用敞口容器长x1米，宽 x2米，高x3米。容器的材料成本：底面80￥/m2， 前后侧面10￥/m2，左右侧面20￥/m2。运输成本： 往返一次1￥。求运输80m3的粮食的最低成本。 解： =
困难度：4 – (3+1) = 0
正项式系数：
例：无约束几何规划算法
正交与规一条件：

不直接搜索最优点的坐标（设计变量值）， 而是首先确定最优的函数值。因而可以省略 对设计变量的搜索。 可以把复杂的优化问题化为线性代数方程组 的求解。
12.3.1正项式 （Posynomial）
函数形式：
ci > 0, (x1,…xn) > 0, aij为实数
12.3.2无约束问题的几何规划算法
12 其它优化问题及算法
其它优化问题及算法

二次多项式近似方法 针对特殊问题的专门算法

整数规划 二次规划 几何规划 动态规划 目标规划

最优控制
12.1二次多项式近似方法
12.1.1直接二次近似
12.1.1直接二次近似
例
12.1.1直接二次近似
12.1.1直接二次近似
最优点坐标的计算
求解代数方程组：
12.4动态规划
多阶段决策过程(Multi-Stage Decision Making)
优化问题的全过程可划分为若干个相互联系 的阶段（子过程），以便按照一定的次序去 求解


每个阶段的输出为下一个阶段的输入 将多变量优化问题化为N个单变量优化问题
例：多阶段决策过程
动态规划算法
最优性定理
动态规划算法
… …
例：动态规划算法
四杆桁架在A点受力2×105lb(磅)， 在保证A点只产生0.5in(英寸)的位移 变形的情况下，求各杆截面积，使桁 架总重最少。杆密度为0.01lb/in3（磅 /立方英寸），杆的杨氏模量为 20×106psi（磅/平方英寸）。 解：
令各杆截面积分别为
目标规划

目标规划（ Goal Programming ）方法是 Charnes和Cooper于1961年提出的，目 前已成为一种简单、实用的处理多目标 决策问题的 方法，是多目标决策中应用 最为广泛的一种方法。
多目标优先级


将目标等级化：将目标按重要性的程度 不同依次分成一级目标、二级目标…..。 最次要的目标放在次要的等级中。 目标优先级作如下约定：
0 f (t ) f max
h(t f ) 0, v(t f ) 0
最优控制的概念
上面的具体实例可抽象为共同的数学模型，其中受控系统 的数学模型即为状态方程：
x f ( x(t ), u (t ), t )
(1)
初始状态为 x (t0 ) 。其中x 为n 维状态向量； u 为r 维控制向量； f 为n 维向量函数，它是 x 、u 和t 的连续函数，并且对x 、 t 连续可微。而其中的性能指标可以概括如下：
目标函数：
例：动态规划算法
A点位移由各杆变形相加而得， 由材料力学分析，可得A点位移与各杆截面积的关系：
例：动态规划算法
此优化问题数学模型：
化为动态规划问题：将A点位移分配给各杆
s5 = 0.5, si = si + 1 - di
例：动态规划算法
等价的动态规划问题：
s i = s i + 1 - di s 5 = 0.5, s1 = 0
规一条件
正交条件
对偶定理
如果困难度D为0，且不等式约束的符号为 ≤，则可 由正交条件和规一条件解出，得到对偶函数的最大 值，即主函数的最小值：
困难度
如果困难度D>0，不等式约束的符号为 ≤，则可由 Lagrange乘子法或其它等式约束算法解出对偶问题 的解，得到对偶函数的最大值，即原问题的最小值
QP问题求解方法

线性规划算法 互补主元法 (complementary pivot method)
12.3几何规划
几何规划(Geometric Pragramming)

解决特殊类型的非线性优化问题：
要求函数形式为正项式 （posynomials），即 指数可以为非整数的多项式

特点：

（2）
对偶函数
由（1）式和（2）式有
f(x)的对偶函数：
=
主函数——对偶函数定理
主函数的最小值等于对偶函数的最大值：
=
主函数——对偶函数对应关系
12.3.4约束问题的几何规划
目标函数和约束都为正项式的优化问题
min
ckj > 0, (x1,…xn) > 0
形式变换
min
对偶问题
min
max
… …
12.1.2Lagrange函数二次近似
12.1.3约束问题的准牛顿法
≈
12.1.3约束问题的准牛顿法

算法的关键

惩罚函数 线性搜索 二阶导数近似
BFGS公式：
12.2二次规划
二次规划问题

目标函数为二次函数 约束函数为线性函数
矩阵形式：
Kuhn–Tucker条件
线性规划问题
无约束几何规划算法的导出
令最优函数值为f*，定义：
正交条件
规一条件
无约束几何规划算法的导出
最优函数值为f*的计算：
无约束几何规划算法的导出
正交条件
无约束几何规划算法使用条件

目标函数为正项式 ci > 0, (x1,…xn) > 0 困难度N – n – 1 >= 0

例：无约束几何规划算法
目标函数：
最优值： 的意义：
的求解：
正交条件
规一条件
困难度（Degree of Difficulty）：
几何规划不能用于 困难度为负的情况
*的确定 最优点坐标值x
求解方程组：
ci > 0, (x1,…xn) > 0
无约束几何规划算法的导出
对优化问题： min
根据无约束最优化准则，有：
最优点坐标满足：
偏差变量： P1 等级：正、负偏差变量——d1+、d1P2 等级：正、负偏差变量——d2+、d2约束条件： 1、 绝对约束 —— g(x ) ≤ 0 2、 目标约束 —— f1 (x )+ d1- - d1+ = 0 f2 (x )+ d2- - d2+ = 0 … …
d1+、d1-、d2+、d2- 、….≥ 0
J m( t f )
为最大的数学问题。
例:飞船的月球软着陆问题
这个问题的完整数学模型为： min J m(t f ) 约束条件： （目标泛函）
h v f (状态方程) v m g m kf （k为控制变量）
h(0) h0 , v(0) v0 , m(0) M F
h
g
月球
设飞船质量为m，它的高度和垂直速度分别为h和v。 月球的重力加速度可视为常数g，飞船的自身质量及所带燃 料分别为M和F。
例:飞船的月球软着陆问题
自某t=0时刻开始飞船进入着陆过程。其运动方程为
h v f v g m m kf
其中k为一常数。 要求控制飞船从初始状态
目标规划算法

图解方法 Partitioning Algorithm
多目标优化的元启发式算法

遗传算法 粒子群算法 模拟退火算法
12.6 最优控制
例:飞船的月球软着陆问题
v
飞船靠其发动机产生一与月球重力 方向相反的推力f，赖以控制飞船实现 软着陆(落到月球表面上时速度为零)。 要求选择一最好发动机推力程序f(t)， 使燃料消耗最少。
建立动态规划模型的基本过程
（1）正确划分阶段 （2）对每个阶段，正确选择状态变量。 选择状态变量时应当注意两点：一是要 能够正确描述受控过程的演变特性，二 是要满足无后效性. （3）对每个阶段，正确选择决策变量。 （4）列出相邻阶段的状态转移方程。 （5）列出按阶段可分的准则函数。
12.5多目标优化：目标规划
Kuhn–Tucker条件



由于二次规划问题的约束条件为线性的 ，所以Kuhn–Tucker必要性条件所要求的 “约束限定”条件自动满足。 另外，如果Q为正定或半正定矩阵，则目 标函数为凸函数，满足了Kuhn–Tucker充 分性条件。 所以对于二次规划问题，我们只需求解 相应的Kuhn–Tucker问题。
例：多阶段决策过程转化
多阶段决策过程数学表示
状态变量
决策变量
状态转移方程: 准则函数:
描述阶段的变量称为阶段变量，可用i表示. 从第i个阶段 开始点到全过程终点的过程称为后部子过程，或i子过程. 状态表示每个阶段开始时所处的自然状况或客观条件. 描述过程状态的变量称为状态变量
无后效性与最优性原理
例：动态规划算法
动态规划问题求解
（1） min f1 (s 2, x 1 ) = R 1 = x 1
x1
s1 = s 2 - d1
s1 = 0
例：动态规划算法
（2）