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        解一類帶洞非凸域上函數(shù)極值的動(dòng)約束同倫算法

        2021-03-27 01:22:00商玉鳳劉慶懷
        關(guān)鍵詞:曲線圖算例約束

        商玉鳳,黨 楊,吳 睿,劉慶懷

        (1.長(zhǎng)春財(cái)經(jīng)學(xué)院經(jīng)濟(jì)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130122;2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130012)

        0 引言

        考慮如下形式的非凸規(guī)劃問(wèn)題:

        minf(x),
        s.t.p(x)≤0,
        q(x)≥0.

        (1)

        其中:f:Rn→R,p:Rn→R,q:Rn→R.易知問(wèn)題(1)的KKT系統(tǒng)為

        (2)

        在已有的利用組合同倫方法求解非凸規(guī)劃問(wèn)題中,從幾何上看一般需要滿足法錐、擬法錐、偽錐等條件[1-3],而帶洞非凸區(qū)域不滿足這些條件.文獻(xiàn)[4]給出了動(dòng)約束組合同倫算法,通過(guò)構(gòu)造動(dòng)約束使其滿足法錐條件,擴(kuò)大了應(yīng)用范圍,但沒(méi)有給出構(gòu)造約束函數(shù)的方法.文獻(xiàn)[5-6]應(yīng)用動(dòng)約束同倫方法討論了不動(dòng)點(diǎn)問(wèn)題以及非光滑非凸規(guī)劃問(wèn)題.本文針對(duì)帶洞非凸區(qū)域上的優(yōu)化問(wèn)題給出了一個(gè)新的同倫方程,利用該方程求解非凸規(guī)劃問(wèn)題可以發(fā)現(xiàn)隨著同倫參數(shù)的變化,約束區(qū)域由一個(gè)有界凸區(qū)域變?yōu)橛薪绶峭箙^(qū)域,由于初始區(qū)域?yàn)橥箙^(qū)域因而不需要驗(yàn)證法錐條件,并證明了路徑的存在性與收斂性,通過(guò)算例表明該方法是有效的.

        1 基本假設(shè)

        圖1 帶洞非凸區(qū)域示例圖

        非空凸區(qū)域與邊界的正獨(dú)立性具有下面性質(zhì):

        這里Ip(x)={i|pi(x)=0}.

        對(duì)給定x(0)∈Rn,t∈[0,1],定義參數(shù)函數(shù)P(x,x(0),t)以及Q(x,t)如下:

        P(x,x(0),t)=p(x)-tΘ(p(x(0))+em),Q(x,t)=tel+(1-t)q(x).

        (3)

        其中:

        記:

        Ω(x(0),t)={x|P(x,x(0),t)≤0,Q(x,t)≥0};

        ΩP(x(0),t)={x|P(x,x(0),t)≤0};

        ΩQ(t)={x|Q(x,t)≥0};

        ?Ω(x(0),t)=Ω(x(0),t)Ω0(x(0),t);

        I(x,x(0),t)={i|pi(x)-tθi(pi(x(0))+1)=0};

        J(x,t)={j|t+(1-t)qj(x)=0}.

        由(3)式P(x,x(0),t)及Q(x,t)的定義可以得到如下引理:

        引理2設(shè)p:Rn→Rn,q:Rn→Rl均為凸向量值函數(shù),Ω為帶洞非凸域.則當(dāng)t∈[0,1]時(shí)有:

        Ω=Ω(x(0),0)?Ω(x(0),t)?Ω(x(0),1);

        ΩP(x(0),0)?ΩP(x(0),t)?ΩP(x(0),1);

        ΩQ(0)?ΩQ(t)?ΩQ(1);

        ?ΩP(x(0),t)∩?ΩQ(t)=?.

        考慮含參數(shù)t的優(yōu)化問(wèn)題

        minf(x),
        s.t.P(x,x(0),t)≤0,
        Q(x,t)≥0.

        (4)

        問(wèn)題(4)的KKT系統(tǒng)為

        (5)

        為求解系統(tǒng)(5),構(gòu)造組合同倫映射H(x,y,z,t)為

        (6)

        當(dāng)t=1時(shí),同倫方程H(x,y,z,1)=0,從而

        x-x(0)=0,YP(x,x(0),1)-Y(0)P(x(0),x(0),1)=0,Zel-Z(0)el=0,

        此時(shí)方程H(x,y,z,1)=0有唯一的解x=x(0),Y=Y(0),Z=Z(0).

        當(dāng)t=0時(shí),同倫方程H(x,y,z,0)=0,即

        此時(shí)方程H(x,y,z,0)=0的解即為KKT系統(tǒng)(2)的解.

        2 同倫路徑存在性與收斂性

        假設(shè)1p∈Cr:Rn→Rm,q∈Cr:Rn→Rl(r>2)均為凸向量值函數(shù).

        假設(shè)2Ω={x|p(x)≤0,q(x)≥0}為內(nèi)部非空有界帶洞非凸域.

        其中En為n維單位矩陣.由Θ的定義,得到

        (7)

        Y(k)P(x(k),x(0),tk)-tkY(0)P(x(0),x(0),1)=0;

        (8)

        Z(k)Q(x(k),tk)-tkZ(0)el=0.

        (9)

        下面證明有且僅有情況(ⅵ)發(fā)生,情況(ⅰ)—(ⅴ)都是不可能發(fā)生的.

        (a) 當(dāng)t*=1,k→+∞時(shí),由方程(9)知,必有‖z(k)‖+∞.若存在則由方程(8)必有i∈I(x*,x(0),t*).改寫(xiě)(7)式為

        (10)

        (11)

        (12)

        而對(duì)(11)式右端乘(x(0)-x*)T得到(x(0)-x*)T(x(0)-x*)≥0,這是不可能的,因此‖y*‖+∞,情況(ⅰ)不能發(fā)生.

        (13)

        則必有

        ‖λ‖=1,λ1≥0,i∈I(x*,x(0),t*),

        由引理1可知所有λi=0(i∈I(x*,x(0),t*)),這是不可能的.

        (14)

        容易看到

        ‖μ‖=1,μj≥0,j∈J(x*,t*).

        由假設(shè)條件3可知μj=0(j∈J(x*,t*)),這與‖μ‖=1矛盾,因此z*必為有限值,情況(ⅱ)不可能發(fā)生.

        (c) 由方程(8)和(9)可以看到情況(ⅲ)與(ⅳ)不可能發(fā)生,由0是H(w,t)的正則值,情況(ⅴ)是不可能的.

        3 數(shù)值算例

        本文采用標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)估-校正同倫方法跟蹤同倫路徑,編寫(xiě)了Matlab程序.算例中初始點(diǎn)x(0)利用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生,取y(0)=(1,…,1)T,迭代運(yùn)算終止原則為tk<10-12以及‖H(w(0),w(k),tk)‖<10-10,具體結(jié)果如下.

        例1解R2上非凸優(yōu)化問(wèn)題:

        本問(wèn)題的最優(yōu)解為x*=(1.275 3,-1.478 8)T,目標(biāo)值為f(x*)=-17.855 7.利用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生的4個(gè)初始點(diǎn)分別是x1(0)=(-0.174 1,-1.926 0)T,x2(0)=(1.741 9,1.667 6)T,x3(0)=(-0.219 6,1.713 1)T,x4(0)=(-0.636 0,-0.625 4)T.注意到這里x1(0)?Ω,x2(0)?Ω,x3(0)∈Ω,以及x4(0)?Ω,沿著每一個(gè)初始點(diǎn)都可以到達(dá)最優(yōu)解點(diǎn)x*.圖2給出了當(dāng)t從1變到0時(shí),初始點(diǎn)x(0)沿同倫曲線Γ變到解點(diǎn)x*的變化路徑.

        圖2 例1同倫路徑x1-x2曲線圖

        例2解R3上非凸優(yōu)化問(wèn)題:

        本問(wèn)題有2個(gè)KKT點(diǎn)分別為(x1*,y1*)=(-2.778 2,5.988 4,4.534 4,0.439 8)T,(x2*,y2*)=(-3.166 3,2.603 4,-8.741 8,0.263 3)T;相應(yīng)的函數(shù)值為f(x1*)=-40.522 1,f(x2*)=-11.926 6.利用隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生了4個(gè)初始點(diǎn),分別為x1(0)=(-0.870 6,-9.629 9,6.428 1)T,x2(0)=(-1.105 9,2.308 6,5.838 7)T,x3(0)=(-8.347 7,6.414 3,-6.139 6)T,x4(0)=(2.280 4,7.826 0,5.241 9)T.注意到x1(0)?Ω,x2(0)∈Ω,x3(0)?Ω,以及x4(0)?Ω.圖3給出了當(dāng)t從1變到0時(shí),初始點(diǎn)x(0)沿同倫曲線Γ變到解點(diǎn)x*的變化路徑,分別表示t-x1,t-x2,t-x3曲線圖.

        圖3 例2解的路徑t-x1,t-x2,t-x3曲線圖

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