Programowanie matematyczne

Podobne dokumenty
Elementy Modelowania Matematycznego

Elementy Modelowania Matematycznego Wykład 7 Programowanie nieliniowe i całkowitoliczbowe

Programowanie nieliniowe. Badania operacyjne Wykład 3 Metoda Lagrange a

Metoda Karusha-Kuhna-Tuckera

PROGRAMOWANIE KWADRATOWE

Funkcje dwóch zmiennych

Zadania z ekonomii matematycznej Teoria produkcji

WPROWADZENIE DO EKONOMII MENEDŻERSKIEJ.

Programowanie liniowe

doc. dr Beata Pułska-Turyna Zarządzanie B506 mail: mgr Piotr J. Gadecki Zakład Badań Operacyjnych Zarządzania B 505.

Definicja problemu programowania matematycznego

Politechnika Wrocławska, Wydział Informatyki i Zarządzania. Optymalizacja

Rozdział 6 PROGRAMOWANIE WYPUKŁE I KWADRATOWE

KURS FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

Elementy Modelowania Matematycznego

Układy równań i nierówności liniowych

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

PROGRAMOWANIE NIELINIOWE

Wprowadzenie do badań operacyjnych - wykład 2 i 3

Układy równań liniowych

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

1 Pochodne wyższych rzędów

3. Funkcje wielu zmiennych

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

Funkcje charakterystyczne zmiennych losowych, linie regresji 1-go i 2-go rodzaju

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Pendolinem z równaniami, nierównościami i układami

Metody Numeryczne Optymalizacja. Wojciech Szewczuk

INTERPOLACJA I APROKSYMACJA FUNKCJI

Matematyka 2. Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Excel - użycie dodatku Solver

Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych

Rozdział 1 PROGRAMOWANIE LINIOWE

Programowanie liniowe

WYKŁADY Z MATEMATYKI DLA STUDENTÓW UCZELNI EKONOMICZNYCH

Sterowanie optymalne

Programowanie liniowe całkowitoliczbowe. Tadeusz Trzaskalik

Badania operacyjne. te praktyczne pytania, na które inne metody dają odpowiedzi jeszcze gorsze.

Układy równań liniowych. Ax = b (1)

Ekonometria - ćwiczenia 10

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

FUNKCJA KWADRATOWA. 1. Definicje i przydatne wzory. lub trójmianem kwadratowym nazywamy funkcję postaci: f(x) = ax 2 + bx + c

Równania nieliniowe, nieliniowe układy równań, optymalizacja

Standardowe zadanie programowania liniowego. Gliwice 1

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

ZASTOSOWANIE PROGRAMOWANIA LINIOWEGO W ZAGADNIENIACH WSPOMAGANIA PROCESU PODEJMOWANIA DECYZJI

Programowanie liniowe

METODA ANALITYCZNA Postać klasyczna: z = 5 x 1 + 6x 2 MAX 0,2 x 1 + 0,3x 2 < 18 0,6 x 1 + 0,6x 2 < 48 x 1, x 2 > 0

Pochodne cząstkowe i ich zastosowanie. Ekstrema lokalne funkcji

7. WYZNACZANIE SIŁ WEWNĘTRZNYCH W BELKACH

Badania Operacyjne Ćwiczenia nr 2 (Materiały)

5. Rozwiązywanie układów równań liniowych

METODA SYMPLEKS. Maciej Patan. Instytut Sterowania i Systemów Informatycznych Uniwersytet Zielonogórski

Równania nieliniowe, nieliniowe układy równań, optymalizacja

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 26 czerwca 2017 roku

Oznacza to, że chcemy znaleźć minimum, a właściwie wartość najmniejszą funkcji

Programowanie liniowe

KURS FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

c j x x

Rachunek różniczkowy funkcji dwóch zmiennych

ZAGADNIENIE TRANSPORTOWE

Układy równań i równania wyższych rzędów

1 Pochodne wyższych rzędów

4. PROGRAMOWANIE LINIOWE

Programowanie nieliniowe

Funkcje wielu zmiennych (c.d.)

Programowanie liniowe

Metody numeryczne. Sformułowanie zagadnienia interpolacji

BADANIA OPERACYJNE i teoria optymalizacji. Prowadzący: dr Tomasz Pisula Katedra Metod Ilościowych

Programowanie liniowe. Tadeusz Trzaskalik

ROZWIĄZYWANIE RÓWNAŃ NIELINIOWYCH

ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ ELEMENTY ANALIZY NUMERYCZNEJ. Egzamin pisemny zestaw 1 24 czerwca 2019 roku

Układy równań liniowych i metody ich rozwiązywania

UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Document: Exercise*02*-*manual /11/ :31---page1of8 INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 2

KADD Minimalizacja funkcji

22 Pochodna funkcji definicja

Lokalna odwracalność odwzorowań, odwzorowania uwikłane

Analiza matematyczna i algebra liniowa Elementy równań różniczkowych

Formy kwadratowe. Rozdział 10

Analiza Matematyczna MAEW101 MAP1067

Aproksymacja. funkcji: ,a 2. ,...,a m. - są funkcjami bazowymi m+1 wymiarowej podprzestrzeni liniowej X m+1

1.2. Rozwiązywanie zadań programowania liniowego metodą geometryczną

1.UKŁADY RÓWNAŃ LINIOWYCH

Laboratorium Metod Optymalizacji

x 2 = a RÓWNANIA KWADRATOWE 1. Wprowadzenie do równań kwadratowych 2. Proste równania kwadratowe Równanie kwadratowe typu:

ZAGADNIENIA PROGRAMOWANIA LINIOWEGO

METODY ESTYMACJI PUNKTOWEJ. nieznanym parametrem (lub wektorem parametrów). Przez X będziemy też oznaczać zmienną losową o rozkładzie

A. Kasperski, M. Kulej Badania Operacyjne- programowanie liniowe 1

Metody optymalizacji. notatki dla studentów matematyki semestr zimowy 2015/2016

Wprowadzenie Metoda bisekcji Metoda regula falsi Metoda siecznych Metoda stycznych RÓWNANIA NIELINIOWE

Obwody elektryczne prądu stałego

Programowanie liniowe

WYKŁAD nr Ekstrema funkcji jednej zmiennej o ciągłych pochodnych. xˆ ( ) 0

II. FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

Funkcja jednej zmiennej - przykładowe rozwiązania 1. Badając przebieg zmienności funkcji postępujemy według poniższego schematu:

ZADANIA OPTYMALIZCJI BEZ OGRANICZEŃ

1 Równania nieliniowe

Transkrypt:

dr Adam Sojda Badania Operacyjne Wykład Politechnika Śląska Programowanie matematyczne

Programowanie matematyczne, to problem optymalizacyjny w postaci: f ( x) max przy warunkach g( x) 0 h( x) = 0 x X X! n funkcje f,g,h są zdefiniowane na tym podzbiorze. 2

Nie istnieje uniwersalny algorytm rozwiązujący zagadnienie programowania matematycznego dlatego problemy dzieli się na odpowiednie klasy i w ramach danej klasy problemów istnieją odpowiednie algorytmy rozwiązujące je. Programowaniem nieliniowym w postaci standardowej nazywamy zadanie postaci: f ( x) = f (,..., x ) n min( max) g i ( x) = g ( i,..., x ) n 0 ( ) ( i = 1,...,r) gdzie przynajmniej jedna z funkcji f lub gi nie jest funkcją liniową, dodatkowo zakładamy, że funkcje f, gi są ciągłe. Programy w postaci kanonicznej wszystkie warunki brzegowe mają w postaci g i ( x) = 0 3

Zagadnienie programowania liniowego - jedna zmienna f(x) a b x 4

Zagadnienie programowania liniowego - jedna zmienna f(x) a b x 4

Zagadnienie programowania liniowego - jedna zmienna f(x) MAX MIN a b x 5

Zagadnienie programowania nieliniowego - jedna zmienna f(x) a b x 6

Zagadnienie programowania nieliniowego - jedna zmienna f(x) a b x 6

Metody rozwiązywania zagadnień programowania matematycznego Poszukiwanie rozwiązania programu nielinowego w postaci kanonicznej Metoda mnożników Lagrange a W przypadku metody mnożników Lagrange a postępowanie jest dwuetapowe. I etap - sprawdzenie, czy funkcja celu f(x) ma ekstremum bezwarunkowe, które może być jednocześnie ekstremum warunkowym. Szukanie ekstremum bezwarunkowego polega na przyrównaniu wszystkich pochodnych cząstkowych funkcji celu do zera. Warunkiem wystarczającym dla istnienia minimum funkcji f(x) w punkcie x=(,,x n ) jest, aby macierz pochodnych cząstkowych była dodatniookreślona. Co oznacza, że wszystkie minory główne tej macierzy są dodatnie. Jeśli extremum bezwarunkowe spełnia warunki ograniczające, to jest rozwiązaniem optymalnym. II etap - jest realizowany, kiedy nie znaleziono rozwiązania optymalnego na I etapie. Budowana jest funkcja Lagrange a postaci: λ i = f x L x,λ 1,...,λ r + λ i g ( i x) gdzie - nieoznaczone mnożniki Lagrange a w ten sposób zastępuje się szukanie ekstremum warunkowego funkcji, poszukiwaniem ekstremum bezwarunkowego dla funkcji Lagrange a. Wyznacza się pochodne cząstkowe względem zmiennych i mnożników Lagrange a. Pochodne te są przyrównywane do zera i rozwiązywany jest układ równań r i=1 7

Przykład. Pewien wyrób może być produkowany przez dwa zakłady Z1 i Z2. W zależności od wielkości przydzielonej produkcji do każdego z zakładów (x1, x2 wielkość produkcji przydzielona odpowiednio do zakładów Z1, Z2) funkcja określająca łączny koszt produkcji jest postaci: = 8 2 12 + 7 2 15 +144 f wiadomo, że łącznie należy wyprodukować 30 jednostek wyrobu. ROZWIĄZANIE x1, x2 wielkość produkcji przydzielona odpowiednio do zakładów Z1, Z2 Należy znaleźć minimum funkcji f ( = 8 1 12 + 7 2 15 +144 min przy ograniczeniach g( = = 30 0 8

I etap poszukiwanie rozwiązania bezwarunkowego: Wyznaczamy pochodne cząstkowe funkcji f(x1,x2) i przyrównujemy je do zera. = 16 15 = 0 f f ( ) = 12 +14 12 = 0 Należy rozwiązać układ równań: Sprawdzamy, czy Hesjan, czyli macierz drugich pochodnych jest dodatnio określona: Kolejne minory bazowe przyjmują wartości: 16, 80. Ponieważ są dodatnie, to hesjan jest macierzą 16 = 15 12 +14 = 12 dodatniookreśloną i w wyznaczonym punkcie znajduje się minimum. Pozostaje sprawdzić, czy rozwiązanie spełnia warunek ograniczający: = 4,425 + 4,65 = 9,075 30 = 354 80 = 4,425 H = f ( ) 2 = 372 80 = 4,65 f ( ) f f 2 = 16 12 12 14 9

Należy poszukać ekstremum warunkowego z funkcji Lagrange a. II etap poszukiwanie minimum warunkowego Budujemy funkcję Lagrange a: L(,λ) = f ( + λg( = 8 1 12 + 7 2 15 +144 + λ ( 30) min L,λ Wyznaczmy pochodne funkcji Lagrange a: = 16 15 + λ = 0 L,λ L(,λ) = 12 +14 12 + λ = 0 L(,λ) λ = ( 30) = 0 Rozwiązujemy układ równań: metoda podstawiania z równania pierwszego i drugiego wyznaczmy lambdy i przyrównujemy je. Otrzymując układ równań: 10

Należy poszukać ekstremum warunkowego z funkcji Lagrange a. II etap poszukiwanie minimum warunkowego Budujemy funkcję Lagrange a: L(,λ) = f ( + λg( = 8 1 12 + 7 2 15 +144 + λ ( 30) min L,λ Wyznaczmy pochodne funkcji Lagrange a: = 16 15 + λ = 0 L,λ L(,λ) = 12 +14 12 + λ = 0 L(,λ) λ = ( 30) = 0 28 26 = 3 = 30 Rozwiązujemy układ równań: metoda podstawiania z równania pierwszego i drugiego wyznaczmy lambdy i przyrównujemy je. Otrzymując układ równań: 10

Należy poszukać ekstremum warunkowego z funkcji Lagrange a. II etap poszukiwanie minimum warunkowego Budujemy funkcję Lagrange a: L(,λ) = f ( + λg( = 8 1 12 + 7 2 15 +144 + λ ( 30) min L,λ Wyznaczmy pochodne funkcji Lagrange a: = 16 15 + λ = 0 L,λ L(,λ) = 12 +14 12 + λ = 0 L(,λ) λ = ( 30) = 0 28 26 = 3 = 30 Rozwiązujemy układ równań: metoda podstawiania z równania pierwszego i drugiego wyznaczmy lambdy i przyrównujemy je. Otrzymując układ równań: = 14,5 = 15,5 10

Należy poszukać ekstremum warunkowego z funkcji Lagrange a. II etap poszukiwanie minimum warunkowego Budujemy funkcję Lagrange a: L(,λ) = f ( + λg( = 8 1 12 + 7 2 15 +144 + λ ( 30) min L,λ Wyznaczmy pochodne funkcji Lagrange a: = 16 15 + λ = 0 L,λ L(,λ) = 12 +14 12 + λ = 0 L(,λ) λ = ( 30) = 0 28 26 = 3 = 30 Rozwiązujemy układ równań: metoda podstawiania z równania pierwszego i drugiego wyznaczmy lambdy i przyrównujemy je. Otrzymując układ równań: = 14,5 = 15,5 otrzymane rozwiązanie jest poszukiwanym rozwiązaniem 10

Program nieliniowy w postaci standardowej I sposób Ponieważ wszystkie ograniczenia są nierównościami, można doprowadzić program do postaci kanonicznej poprzez dodanie do funkcji g zmiennej nieistotnej u 2. II sposób Dla programu w postaci standardowej wykorzystuje się twierdzenie Kuhna-Truckera Dla programu postaci: f,..., x n g i min (,..., x n ) 0 i = 1,...,r,..., x n 0 Warunki Kuhna-Truckera n L x j = j=1 x j g i r i=1 λ i g i x j 0 j = 1,...,n L( x,λ 1,...,λ ) r = f x L = f x r g + λ i x i x j x j i=1 x j (,..., x n ) 0 i = 1,...,r ( x) = 0 0 j = 1,...,n n r f x g + λ i x i x j i=1 x x j = 0 j=1 j r i=1 + λ i g ( i x) λ i 0 i = 1,...,r 11

Po podstawieniu r f x g + λ i x i x j i=1 x j g i ( x) = w i postać układu jest następująca: Programowanie matematyczne = v j n L x j = j=1 x j L v j = f x r g + λ i x i x j x j i=1 x j v j = 0 j = 1,...,n n r f x g + λ i x n i x j i=1 x x j = v j x j = 0 j=1 j j=1 g i r i=1 ( x) w i = 0 λ i w i = 0 x j 0 j = 1,...,n λ i 0 i = 1,...,r 12