Otimização convexa - problema de programação

Existem quatro tipos de problemas de programação convexa -

Step 1 - $ min \: f \ left (x \ right) $, onde $ x \ em S $ e S é um conjunto convexo não vazio definido em $ \ mathbb {R} ^ n $ e $ f \ left (x \ right ) $ é uma função convexa.

Step 2 - $ min \: f \ left (x \ right), x \ in \ mathbb {R} ^ n $ sujeito a

$ g_i \ left (x \ right) \ geq 0, 1 \ leq m_1 $ e $ g_i \ left (x \ right) $ é uma função convexa.

$ g_i \ left (x \ right) \ leq 0, m_1 + 1 \ leq m_2 $ e $ g_i \ left (x \ right) $ é uma função côncava.

$ g_i \ left (x \ right) = 0, m_2 + 1 \ leq m $ e $ g_i \ left (x \ right) $ é uma função linear.

onde $ f \ left (x \ right) $ é uma função convexa.

Step 3 - $ max \: f \ left (x \ right) $ onde $ x \ in S $ e S é um conjunto convexo não vazio definido em $ \ mathbb {R} ^ n $ e $ f \ left (x \ right) $ é uma função côncava.

Step 4 - $ min \: f \ left (x \ right) $, onde $ x \ in \ mathbb {R} ^ n $ sujeito a

$ g_i \ left (x \ right) \ geq 0, 1 \ leq m_1 $ e $ g_i \ left (x \ right) $ é uma função convexa.

$ g_i \ left (x \ right) \ leq 0, m_1 + 1 \ leq m_2 $ e $ g_i \ left (x \ right) $ é uma função côncava.

$ g_i \ left (x \ right) = 0, m_2 + 1 \ leq m $ e $ g_i \ left (x \ right) $ é uma função linear.

onde $ f \ left (x \ right) $ é uma função côncava.

Cone de direção viável

Seja S um conjunto não vazio em $ \ mathbb {R} ^ n $ e seja $ \ hat {x} \ in \: Closure \ left (S \ right) $, então o cone de direção viável de S em $ \ hat {x} $, denotado por D, é definido como $ D = \ left \ {d: d \ neq 0, \ hat {x} + \ lambda d \ in S, \ lambda \ in \ left (0, \ delta \ right), \ delta> 0 \ right \} $

Cada vetor diferente de zero $ d \ em D $ é chamado de direção viável.

Para uma dada função $ f: \ mathbb {R} ^ n \ Rightarrow \ mathbb {R} $ o cone de direção de melhoria em $ \ hat {x} $ é denotado por F e é dado por

$$ F = \ left \ {d: f \ left (\ hat {x} + \ lambda d \ right) \ leq f \ left (\ hat {x} \ right), \ forall \ lambda \ in \ left ( 0, \ delta \ right), \ delta> 0 \ right \} $$

Cada direção $ d \ em F $ é chamada de direção de melhoria ou direção descendente de f em $ \ hat {x} $

Teorema

Necessary Condition

Considere o problema $ min f \ left (x \ right) $ tal que $ x \ in S $ onde S é um conjunto não vazio em $ \ mathbb {R} ^ n $. Suponha que f seja diferenciável em um ponto $ \ hat {x} \ in S $. Se $ \ hat {x} $ é uma solução ótima local, então $ F_0 \ cap D = \ phi $ onde $ F_0 = \ left \ {d: \ bigtriangledown f \ left (\ hat {x} \ right) ^ T d <0 \ right \} $ e D é um cone de direção viável.

Sufficient Condition

Se $ F_0 \ cap D = \ phi $ f é uma função pseudoconvex em $ \ hat {x} $ e existe uma vizinhança de $ \ hat {x}, N_ \ varepsilon \ left (\ hat {x} \ right) , \ varejpsilon> 0 $ tal que $ d = x- \ hat {x} \ in D $ para qualquer $ x \ in S \ cap N_ \ varejpsilon \ left (\ hat {x} \ right) $, então $ \ hat {x} $ é a solução ótima local.

Prova

Necessary Condition

Seja $ F_0 \ cap D \ neq \ phi $, ou seja, existe um $ d \ em F_0 \ cap D $ tal que $ d \ em F_0 $ e $ d \ em D $

Como $ d \ em D $, portanto existe $ \ delta_1> 0 $ tal que $ \ hat {x} + \ lambda d \ in S, \ lambda \ in \ left (0, \ delta_1 \ right). $

Como $ d \ in F_0 $, portanto $ \ bigtriangledown f \ left (\ hat {x} \ right) ^ T d <0 $

Assim, existe $ \ delta_2> 0 $ tal que $ f \ left (\ hat {x} + \ lambda d \ right) <f \ left (\ hat {x} \ right), \ forall \ lambda \ in f \ left (0, \ delta_2 \ right) $

Deixe $ \ delta = min \ left \ {\ delta_1, \ delta_2 \ right \} $

Então $ \ hat {x} + \ lambda d \ in S, f \ left (\ hat {x} + \ lambda d \ right) <f \ left (\ hat {x} \ right), \ forall \ lambda \ em f \ left (0, \ delta \ right) $

Mas $ \ hat {x} $ é a solução ótima local.

Portanto, é uma contradição.

Assim, $ F_0 \ cap D = \ phi $

Sufficient Condition

Seja $ F_0 \ cap D \ neq \ phi $ nd seja f uma função pseudoconvexa.

Deixe existir uma vizinhança de $ \ hat {x}, N _ {\ varejpsilon} \ left (\ hat {x} \ right) $ tal que $ d = x- \ hat {x}, \ forall x \ in S \ cap N_ \ varepsilon \ left (\ hat {x} \ right) $

Seja $ \ hat {x} $ não uma solução ótima local.

Assim, existe $ \ bar {x} \ in S \ cap N_ \ varepsilon \ left (\ hat {x} \ right) $ tal que $ f \ left (\ bar {x} \ right) <f \ left ( \ hat {x} \ right) $

Por suposição em $ S \ cap N_ \ varepsilon \ left (\ hat {x} \ right), d = \ left (\ bar {x} - \ hat {x} \ right) \ in D $

Por pseudoconvexo de f,

$$ f \ left (\ hat {x} \ right)> f \ left (\ bar {x} \ right) \ Rightarrow \ bigtriangledown f \ left (\ hat {x} \ right) ^ T \ left (\ bar {x} - \ hat {x} \ right) <0 $$

$ \ Rightarrow \ bigtriangledown f \ left (\ hat {x} \ right) ^ T d <0 $

$ \ Rightarrow d \ in F_0 $

portanto $ F_0 \ cap D \ neq \ phi $

o que é uma contradição.

Portanto, $ \ hat {x} $ é a solução ótima local.

Considere o seguinte problema: $ min \: f \ left (x \ right) $ onde $ x \ em X $ tal que $ g_x \ left (x \ right) \ leq 0, i = 1,2, ..., m $

$ f: X \ rightarrow \ mathbb {R}, g_i: X \ rightarrow \ mathbb {R} ^ n $ e X é um conjunto aberto em $ \ mathbb {R} ^ n $

Seja $ S = \ left \ {x: g_i \ left (x \ right) \ leq 0, \ forall i \ right \} $

Seja $ \ hat {x} \ in X $, então $ M = \ left \ {1,2, ..., m \ right \} $

Seja $ I = \ left \ {i: g_i \ left (\ hat {x} \ right) = 0, i \ in M ​​\ right \} $ onde I é chamado de conjunto de índice para todas as restrições ativas em $ \ hat {x } $

Seja $ J = \ left \ {i: g_i \ left (\ hat {x} \ right) <0, i \ in M ​​\ right \} $ onde J é chamado de conjunto de índices para todas as restrições ativas em $ \ hat {x } $.

Seja $ F_0 = \ left \ {d \ in \ mathbb {R} ^ m: \ bigtriangledown f \ left (\ hat {x} \ right) ^ T d <0 \ right \} $

Seja $ G_0 = \ left \ {d \ in \ mathbb {R} ^ m: \ bigtriangledown gI \ left (\ hat {x} \ right) ^ T d <0 \ right \} $

ou $ G_0 = \ left \ {d \ in \ mathbb {R} ^ m: \ bigtriangledown gi \ left (\ hat {x} \ right) ^ T d <0, \ forall i \ in I \ right \} $

Lema

Se $ S = \ left \ {x \ in X: g_i \ left (x \ right) \ leq 0, \ forall i \ in I \ right \} $ e X não está vazio aberto definido em $ \ mathbb {R } ^ n $. Seja $ \ hat {x} \ in S $ e $ g_i $ sejam diferentes em $ \ hat {x}, i \ in I $ e seja $ g_i $ onde $ i \ in J $ são contínuos em $ \ hat {x } $, então $ G_0 \ subseteq D $.

Prova

Seja $ d \ em G_0 $

Dado que $ \ hat {x} \ in X $ e X é um conjunto aberto, existe $ \ delta_1> 0 $ tal que $ \ hat {x} + \ lambda d \ in X $ para $ \ lambda \ in \ esquerda (0, \ delta_1 \ direita) $

Além disso, como $ g_ \ hat {x} <0 $ e $ g_i $ são contínuos em $ \ hat {x}, \ forall i \ em J $, existe $ \ delta_2> 0 $, $ g_i \ left (\ hat {x} + \ lambda d \ right) <0, \ lambda \ in \ left (0, \ delta_2 \ right) $

Como $ d \ em G_0 $, portanto, $ \ bigtriangledown g_i \ left (\ hat {x} \ right) ^ T d <0, \ forall i \ in I $ portanto existe $ \ delta_3> 0, g_i \ left (\ hat {x} + \ lambda d \ right) <g_i \ left (\ hat {x} \ right) = 0 $, para $ \ lambda \ in \ left (0, \ delta_3 \ right) i \ in J $

Deixe $ \ delta = min \ left \ {\ delta_1, \ delta_2, \ delta_3 \ right \} $

portanto, $ \ hat {x} + \ lambda d \ in X, g_i \ left (\ hat {x} + \ lambda d \ right) <0, i \ in M ​​$

$ \ Rightarrow \ hat {x} + \ lambda d \ in S $

$ \ Rightarrow d \ in D $

$ \ Rightarrow G_0 \ subseteq D $

Daí provado.

Teorema

Necessary Condition

Sejam $ f $ e $ g_i, i \ in I $, diferentes em $ \ hat {x} \ in S, $ e $ g_j $ são contínuos em $ \ hat {x} \ in S $. Se $ \ hat {x} $ são mínimos locais de $ S $, então $ F_0 \ cap G_0 = \ phi $.

Sufficient Condition

Se $ F_0 \ cap G_0 = \ phi $ e f é uma função pseudoconvexa em $ \ left (\ hat {x}, g_i 9x \ right), i \ in I $ são estritamente funções pseudoconvexas sobre alguns $ \ varepsilon $ - vizinhança de $ \ hat {x}, \ hat {x} $ é uma solução ótima local.

Observações

  • Seja $ \ hat {x} $ um ponto viável tal que $ \ bigtriangledown f \ left (\ hat {x} \ right) = 0 $, então $ F_0 = \ phi $. Assim, $ F_0 \ cap G_0 = \ phi $ mas $ \ hat {x} $ não é uma solução ótima

  • Mas se $ \ bigtriangledown g \ left (\ hat {x} \ right) = 0 $, então $ G_0 = \ phi $, portanto $ F_0 \ cap G_0 = \ phi $

  • Considere o problema: min $ f \ left (x \ right) $ tal que $ g \ left (x \ right) = 0 $.

    Como $ g \ left (x \ right) = 0 $, então $ g_1 \ left (x \ right) = g \ left (x \ right) <0 $ e $ g_2 \ left (x \ right) = - g \ esquerda (x \ direita) \ leq 0 $.

    Seja $ \ hat {x} \ em S $, então $ g_1 \ left (\ hat {x} \ right) = 0 $ e $ g_2 \ left (\ hat {x} \ right) = 0 $.

    Mas $ \ bigtriangledown g_1 \ left (\ hat {x} \ right) = - \ bigtriangledown g_2 \ left (\ hat {x} \ right) $

    Assim, $ G_0 = \ phi $ e $ F_0 \ cap G_0 = \ phi $.