Prednáška 3. Optimalizačné metódy pre funkcie n-premenných. Študujme reálnu funkciu n-premenných. f: R R

Similar documents
Kapitola S5. Skrutkovica na rotačnej ploche

Teória grafov. RNDr. Milan Stacho, PhD.

ADM a logika. 4. prednáška. Výroková logika II, logický a sémantický dôsledok, teória a model, korektnosť a úplnosť

Metódy vol nej optimalizácie

Maticové algoritmy I maticová algebra operácie nad maticami súčin matíc

Kapitola P2. Rozvinuteľné priamkové plochy

METRICKÉ ÚLOHY V PRIESTORE

Odhady veľkosti pokrytí náhodne indukovaných podgrafov n-rozmernej hyperkocky

DIPLOMOVÁ PRÁCE. Peter Baník Metody optimalizace ve financích

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Písomná práca k dizertačnej skúške

Computation of Information Value for Credit Scoring Models

FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY UNIVERZITY KOMENSKÉHO V BRATISLAVE

Matematická analýza II.

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY. Robustné metódy vo faktorovej analýze

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE STAVEBNÁ FAKULTA. Polomerovo Moorovské grafy

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA CHEMICKEJ A POTRAVINÁRSKEJ TECHNOLÓGIE ÚSTAV INFORMATIZÁCIE, AUTOMATIZÁCIE A MATEMATIKY

Algoritmy metód vnútorného bodu v lineárnom programovaní

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY PREČO CHODÍ ČLOVEK V KRUHU JÁN DZÚRIK

11. prednáška ( ) Greedy algoritmy. Programovanie, algoritmy, zložitosť (Ústav informatiky, PF UPJŠ v Košiciach)

VÝUČBA DIFFERENCIÁLNEHO POČTU FUNKCIE VIAC PREMENNÝCH POMOCOU PG. SYST. MATHEMATICA

OPTIMALIZÍCIA CHODU ROBOTA POMOCOU EVOLUČNÝCH METÓD

DEA modely a meranie eko-efektívnosti

Ing. Tomasz Kanik. doc. RNDr. Štefan Peško, CSc.

Matematická analýza II.

GENEROVANIE STABILNÝCH MODELOV VYUŽÍVANÍM CUDA TECHNOLÓGIE

Analýza multispektrálnych dát z konfokálnej mikroskopie. DIPLOMOVÁ PRÁCA

Algoritmizácia Elmanovej rekuretnej neurónovej siete

Univerzita Karlova v Prahe, Filozofická fakulta Katedra logiky. Anna Horská. FRIEDBERG-MUCHNIKOVA VETA Ročníková práca

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Fakulta Matematiky, Fyziky a Informatiky Univerzita Komenského, Bratislava THEILOVA REGRESIA

A l g o r i t m i c k y n e r i e š i t e ľ n é p r o b l é m y

Errors-in-variables models

Kybernetika. Peter Hudzovič Súčasná kontrola stability a kvality impulznej regulácie. Terms of use:

Radka Sabolová Znaménkový test

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY DETEKOVANIE KOMUNÍT V SOCIÁLNYCH SIEŤACH Patricia SVITKOVÁ

PSEUDOINVERZNÁ MATICA

Univerzita Karlova v Praze. Matematicko-fyzikální fakulta. Ústav teorie informace a automatizace AV ČR Šroubek PhD.

2. prednáška Logické neuróny a neurónové siete

Neurónové siete v C# Neural networks in C# Michal Pavlech

Obsah. 2 Určenie objemu valčeka Teoretický úvod Postup merania a spracovanie výsledkov... 10

Jádrové odhady gradientu regresní funkce

Lucia Fuchsová Charakteristiky pravděpodobnostních

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY. Kritéria nezápornosti Fourierových radov BAKALÁRSKA PRÁCA

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY

Žilinská univerzita v Žiline. Návrh tranzistorových obvodov pomocou evolučných algoritmov

RIEŠENIE PROBLÉMOV METÓDOU MONTE CARLO V TABUĽKOVOM KALKULÁTORE MS EXCEL ÚVOD

Holografická redukovaná reprezentácia v umelej inteligencii a kognitívnej vede

FILTRÁCIA GEODETICKÝCH DÁT NA POVRCHU ZEME POMOCOU NELINEÁRNYCH DIFÚZNYCH ROVNÍC

Jádrové odhady regresní funkce pro korelovaná data

TERMINOLÓGIA A JEDNOTKY OPTICKÉHO ŽIARENIA

Appendix. Title. Petr Lachout MFF UK, ÚTIA AV ČR

1 Matice a ich vlastnosti

Computational Optimization. Mathematical Programming Fundamentals 1/25 (revised)

Samuel Flimmel. Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta. Katedra pravděpodobnosti a matematické statistiky

Conjugate Gradient algorithm. Storage: fixed, independent of number of steps.

Univerzita Karlova v Praze Matematicko-fyzikální fakulta DIPLOMOVÁ PRÁCA. Bc. Roman Cinkais. Aplikace samoopravných kódů v steganografii

PREDPOVEĎ PRIETOKOV POUŽITÍM MATEMATICKÝCH A ŠTATISTICKÝCH METÓD

1 Úvod Úvod Sylaby a literatúra Označenia a pomocné tvrdenia... 4

DEFINÍCIE A DEFINOVANIE V NEWTONOVÝCH PRINCÍPOCH: POKUS O METODOLOGICKÚ ANALÝZU 1. Igor HANZEL

Štatisticky tolerančný interval nazýva ISO Statistics. Vocabulary and symbols. Part 1: Probability and general statistical terms ako štatistick

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY

KRÁTKODOBÁ VERSUS DLHODOBÁ ROVNOVÁHA

kniha 2016/4/30 23:47 page 1 #1 Draft

Ján Pribiš. Edícia vysokoškolských učebníc. Fakulta elektrotechniky a informatiky. Technická univerzita v Košiciach SCILAB

Ekonomika a financie ako motivačný činitel rozvoja matematiky

Evolu né algoritmy. Martin Pelikan 1

2. Vektorová metóda kinematickej analýzy VMS

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY REKURENTNÉ POSTUPNOSTI

The Golden Ratio and Signal Quantization

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY

Diplomová práca. Fakulta matematiky, fyziky a informatiky Univerzita Komenského v Bratislave. Konečno-diferenčné modelovanie voľného povrchu

Univerzita Komenského v Bratislave Fakulta Managementu Katedra stratégie a podnikania. Aplikácia nekooperatívnej teórie hier v

Stochastické diferenciálne rovnice

Určenie hodnoty Value at Risk využitím simulačnej metódy Monte Carlo v neživotnom poistení

České vysoké učení technické v Praze

Objavovanie znalostí v databázach. Ján Paralič

program Prienik_mnohouholnikov; const max=100; type pole=array[1..max+1,1..2] of integer; {v pole[i,1] je sucet x1+x2, v pole[i,2] je y}

URČENIE MODULU PRUŽNOSTI OSOBNÝCH PLÁŠŤOV PNEUMATÍK

ANOTÁCIA ZHLUKOV GÉNOV

Súťaž PALMA junior a programovanie v jazyku Python

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

REKONŠTRUKCIA OBJEKTOV S VYUŽITÍM VIACNÁSOBNÝCH POHĽADOV

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY

FUZZY-NEURO ALGORITMY MODELOVANIA NELINEÁRNYCH PROCESOV V DOPRAVE

NAVIGÁCIA MOBILNÉHO ROBOTA VIZUÁLNYM SYSTÉMOM

2-UMA-115 Teória množín. Martin Sleziak

ODHAD PARAMETROV VŠEOBECNÉHO PARETOVHO ROZDELENIA SOFTVÉROM EVA V PROSTREDÍ JAZYKA R.

MEDZINÁRODNÝ VEDECKÝ ČASOPIS MLADÁ VEDA / YOUNG SCIENCE

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY DIPLOMOVÁ PRÁCA

Optimization Theory. Linear Operators and Adjoints

História nekonečne malej veličiny PROJEKTOVÁ PRÁCA. Martin Čulen. Alex Fleško. Konzultant: Vladimír Repáš

UNIVERZITA KOMENSKÉHO V BRATISLAVE FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY

Optimálne riadenie. Viacetapové rozhodovacie procesy v ekonómii a financiách. Margaréta Halická Pavel Brunovský Pavol Jurča

Oddělení technické informatiky Technická univerzita v Liberci

Czech Technical University in Prague Faculty of Electrical Engineering

Dotyková rovina a normála k ploche z=f(x,y) s Matlabom

Matematika 17. a 18. storočia

Strengthened Sobolev inequalities for a random subspace of functions

Prednášky z regresných modelov

Transcription:

Prednáška 3 Optimalizačné metódy pre funkcie n-premenných Študujme reálnu funkciu n-premenných n f: R R Našou úlohou bude nájsť také x opt R n, pre ktoré má funkcia f minimum x opt = arg min ( f x) Túto úlohu budeme riešiť pomocou: (1) gradientových metód (2) negradientových metód Typickým predstaviteľom negradientových metód na hľadanie minima funkcií n-premen-ných je simplexova metóda. Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 1

1. Simplexova metóda Pod simplexom v n-rozmernom priestore R n rozumieme množinu n+1 bodov - vrcholov, pričom každá dvojica vrcholov je spojená hranou. Formálne, simplex vyjadríme ako množinu S = l q P, P,..., P R 1 2 n+ 1 Hovoríme, že simplex S je nedegenerovaný, ak žiadny z vrcholov neleží v rovine obsahujúcej ostatné vrcholy simplexu n Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 2

Podmienka pre nedegenerovaný simplex môže byť preformulovaná tak, že n vektorov P P, P P,..., P P, P P, 2 1 3 1 n 1 n+ 1 1 je lineárne nezávislá. Nech bod P i má tento tvar P x a f i i, x a f,..., x a f d i = 1 2 potom podmienka lineárnej nezávislosti môže byť vyjadrená pomocou podmienky nenulovosti deteminantu xaf 2 1 2 1 2 1 1 xaf 1 xaf 2 xaf 2... xaf n xaf n a3f a1f a3f a1f a3f a1f x1 x1 x2 x2... xn xn............ n+ 1 1 n+ 1 + x x x x... x x a f af a f af a f af 1 1 2 n i 1 n 1 1 2 n n i 0 Priamka v priestore je určená dvoma bodmi P A a P B a f Pα = 1 α P + αp kde α R je parameter priamky, platí P 0 =P A a P 1 =P B. A B Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 3

Priamka je orientovaná v zmysle rastúceho parametra α Pα Pβ α < β Ťažisko simplexu S je určené ako "aritmetický priemer" jeho vrcholov P C = 1 n n+ 1 P + 1 = i 1 Funkčné hodnoty minimalizovanej funkcie f na vrcholoch simplexu označíme bg bg a f b g F = f P, F = f P,..., F = f P, F = f P 1 1 2 2 n n n+ 1 n+ 1 i Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 4

Medzi vrcholmi simplexa odlíšime dva vrcholy, vrhol P L a vrchol P H, v ktorých má funkcia f maximálnu resp. minimálnu hodnotu P H P = L = arg max P S arg min f P P S af f P af V simplexovej metóde hrá dôležitú úlohu ťažisko vrcholov simplexu okrem vrcholu P H F 1 n+ 1 P = P P n HG = i 1 α-reflexia vrcholu P H vzhľadom k ťažisku P a f i H P α = 1 α P + αp H I K J Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 5

Redukcia simplexu S vzhľadom k vrcholu P L b g b g 1 P i = Pi + PL pre i = 12,,..., n, n+ 1 2 Elementárny krok simplexovej metódy (1) Pre daný simplex S určíme vrcholy P L a P H (2) Určíme ťažisko P. (3) Zostrojíme 2-reflexiu P* vrcholu P H okolo P, P*=2P -P H. (4) Ak f(p*)<f(p H ), potom P H P*, v opačnom prípade vykonáme redukciu simplexa okolo vrcholu P L. Kroky (1-4) opakujeme tak dlho, až b g b g fph fpl < ε kde ε je malé kladné číslo (presnosť) Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 6

Diagramatická interpretácia elementárneho kroku simplexovej metódy Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 7

Konštrukcia počiatočného simplexu Máme zadaný jeden vrchol P o a dĺžku hrany d P = P + de pre i = 12,,..., n P i o i n+ 1 = P o b kde "body" E i sú zadané ako jednotkové smerové vektory E = 1 E2 = 010,,,..., 0... E n = a a 10, 0,,..., 0 a f f f 000,,,..., 1 g Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 8

Algoritmus simplexovej metódy read(p 0,d,ε,k max ); S:=initial set of simplex vertices; norm:= ; k:=0; while (norm>ε) and (k<k max ) do begin k:=k+1; P H :=arg max f(p); P L :=arg min f(p); norm:=abs(f(p H )-f(p L )); P*:=2P-P H ; if f(p*)<f(p H ) then S:=(S-{P H })+{P*} else simplex is reduced; end; write(p L,f(P L )); Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 9

Diagramatické znázornenie priebehu simplexovej metódy Poznámka: V priebehu simplexovej metódy dochádza často k redukcii simplexu, t.j. stáva sa stále menším a menším. Táto skutočnosť podstatne znižuje efektívnosť simplexovej metódy v blízkosti minima. Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 10

2. Modifikácia simplexovej metódy -AMÉBA V štandardnej verzii simplexovej metódy relatívne často dochádza k redukcii simplexu, t.j. spolmaluje sa rýchlosť metódy. Tento nedostatok odstraňuje modifikácia simplexovej metódy - améba, v ktorej je simplex dynamicky menený v závislosti na povrchu minimalizovanej funkcie. Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 11

Diagramatická vizualizácia elementárneho kroku améby Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 12

Algoritmus améby read(p 0,d,ε,k max ); S:=initial set of simplex vertices; norm:= ; k:=0; while (norm>ε) and (k<k max ) do begin k:=k+1; P H :=arg max f(p); P L :=arg min f(p); norm:=abs(f(p H )-f(p L )); P*:=2P-P H ; if f(p*)<f(p L ) then begin P**:=3P-2P H ; if f(p**)<f(p*) then S:=(S-{P H })+{P**} else S:=(S-{P H })+{P*}; end else if f(p*)<f(p H ) then P**:=-1/2P H +3/2P else P**:=1/2P H +1/2P; if f(p**)<f(p H ) then S:=(S-{P H })+{P**} else simplex is reduced; end; write(p L,f(P L )); Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 13

Diagramatické znázornenie priebehu améby Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 14

3. Stochastická simplexová metóda Modifikácia štandardnej simplexovej metódy sop stochastickými prvkami, ktorá je vhodná na hladanie globálneho minima. CRS - Controlled Random Search W.L.Price (1965) prototyp moderných stochastických optimalizačných metód Populácia bodov P ( P >>n) l P = P, P,..., 1 2 P m Body z populácie P s maximálnou resp. minimálnou funkčnou hodnotou sú P max = P arg max P P min = arg min P P q af f P af f P Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 15

Simplex S obsahuje n+1 bodov náhodne vybraných z populácie P S n s = P α, P α,..., P α 1 2 n+ 1 P Štandardným postupom zostrojíme 2-reflexiu P* v danom simplexe S. Elementárny krok stochastickej simplexovej metódy (1) Z populácie P náhodne výber n+1 bodov, ktoré tvoria simplex S. (2) V rámci simplexu S zostroj 2-reflexiu P* podobne ako v štandardnej simplexovej metóde. (3) Ak f(p*)<f(p max ), potom bod P max zameň za reflexiu P* (t.j. populácia P sa modifikuje, P (P\{P max }) {P*}. Kroky (1-3) opakuj tak dloho, až sú splnené podmienky ukončenia algoritmu. Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 16

Algoritmus stochastickej simplexovej metódy read(m,ε,k max ); P:=randomly generated population composed of m points; norm:= ; k:=0; while (norm>ε) and (k<k max ) do begin k:=k+1; norm:=abs(f(p max )-f(p min )); S:=randomly seelcted simplex from the population P; P*:= reflexion of S; if f(p*)<f(p max ) then P:=(P\{P max }) {P*}; end; write(p min,f(p min )); Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 17

Tri po sebe idúce elementárne kroky stochastickej simplexovej metódy Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 18

Schematické znázornenie populácií pre rôzne etapy stochastickej simplexovej metódy Poznámka: S rastom iteračných krokov metódy, "priemer" populácie sa zmenšuje v dôsledku toho, že sa vždy odstraňujú "okrajové" body P max. Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 19

4. Definícia gradientu Študujme funkciu af a F λ = f xo + λn f kde x o = c o o x x x o n R n 1, 2,..., h je daný bod (vektor) a n= c o o n n n o n R n 1, 2,..., h je normalizovaný smerový vektor ( n =1). Funkcia F(λ) popisuje "zúženie" funkcie f(x) na priamku p definovanú bodom x o a smerom n. Derivácie tejto funkcie podľa premennej λ je určená vzťahom af a f F λ = grad f xo + λn n Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 20

Výraz grad f(x) sa nazýva gradient funkcie f v bode x a je definovaný ako vektor, ktorého komponenty sú 1. parciálne derivácie vzhľadom k premenným x 1, x 2,...,x n grad ( f x)= F HG ( f x) ( f x) ( f x),,..., x x 1 2 x n Hodnota derivácie F'(λ) pre λ=0 sa nazýva derivácie funkcie f(x) v bode x o a v smere n a f a f a f a f F 0 = grad f x n = grad f x cos ϕ o kde ϕ je uhol, ktorý medzi smerom n a grad f(x o ) o I KJ Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 21

Geometrická interpretácia gradientu Budeme študovať nasledujúce dva limitné prípady pre deriváciu v smere, a to (1) smer je paralelný s gradientom (ϕ=0) a (2) smer je antiparalelný s gradientom (ϕ=π) af af F 0 = + grad f x > 0 ϕ= 0 a f o a f F 0 = grad f x < 0 ϕ= π V smere gradientu grad f(x o ) funkcia f(x) najrýchlejšie rastie, podobne, v opačnom smere - grad f(x o ) funkcia f(x) najrýchlejšie klesá. o Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 22

5. Metóda najprudšieho spádu (steepest desctent method) Táto metóda je založená na geometrickej interpretácii gradientu, ako smeru v ktorom funkcia najrýchlejšie rastie. Budeme hľadať minimum funkcie f(x), metóda najprudšieho spádu je založená na nasledujúcej rekurentnej formule x + = x f x k k k 1 λgrad b g kde kladný parameter λ>0 je určený tak, aby platilo f(x k+1 )<f(x k ). To znamená, že tento parameter je určený dvoma protichodnými podmienkami, a to dostatočne malý, aby platila predchádzajúca nerovnosť a súčasne dostatočne veľký, aby bola zabezpečená dostatočná rýchlosť konvergencie metódy. Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 23

Grafická ilustrácia metódy najprudšieho spádu Stratégia pre voľbu parametra λ Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 24

Ak platí f(x k+1 )>f(x k ) (t.j metóda prestáva monotónne konvergovať), potom parameter λ sa zmenší λ α λ kde 0<α<1. Algoritmus gradientovej metódy najprudšieho spádu read(x,λ,ε,α,k max ); norm:= ; k:=0; while (norm>ε) and (k<k max ) do begin k:=k+1; x':=x-λ*gradf(x); norm:= x-x' ; if f(x')>f(x) then λ:=α*λ; x:=x'; end; write(x,f(x)); Grafická vizualizácia Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 25

metódy najprudšieho spádu Metóda sa stáva veľmi pomalou v blízkosti minima alebo na "plochých" úsekoch. Matematika I pre PGŠ, Prednáška 3 26