Antoni M. Zaj czkowski: Algorytmy i podstawy programowania – minimum funkcji unimodalnej 5 kwietnia 2009

MINIMUM FUNKCJI UNIMODALNEJ

Niech oznacza pewien niepusty przedział w i niech b dzie dana funkcja

.

DEFINICJA. Mówimy, e funkcja przyjmuje w punkcie minimum lokalne

( local minimum), je eli istnieje liczba

taka, e dla ka dego

prawdziwa

jest nierówno

.

(*)

Punkt

nazywamy punktem lokalnego minimum ( local minimum point) funkcji .

UWAGA. Przypominamy, e przez

oznaczamy kul otwart o rodku w punkcie

i promieniu , przy czym w przypadku, gdy

, kul t jest przedział otwarty

.

DEFINICJA. Je eli

, to punkt

nazywamy punktem lokal-

nego maksimum ( local maximum point), a warto funkcji w tym punkcie nazywamy maksimum lokalnym ( local maximum).

Minima i maksima lokalne nazywamy ekstremami lokalnymi ( local extremes).

DEFINICJA. Je eli istnieje

, takie e

and

,

to mówimy, e punkt

jest punktem cisłego minimum lokalnego ( strict local minimum point), a

jest cisłym minimum lokalnym ( strict local minimum) funkcji .

DEFINICJA. Je eli relacja (*) spełniona jest dla ka dego

, to

nazywamy punktem

globalnego minimum ( global minimum point), a nazywamy minimum globalnym

( global minimum) funkcji .

DEFINICJA. Je eli istnieje

, takie e

dla ka dego

,

przy czym

jest jednym z ko ców przedziału , to mówimy, e w tym punkcie funkcja osi ga minimum brzegowe ( boundary minimum).

DEFINICJA. Funkcj

nazywamy funkcj wypukł ( convex function), je eli dla dowolnych punktów

,

wykresu tej funkcji, ci ciwa ( chord)

le y nad t cz ci wykresu, któr okre la przedział wyznaczony przez punkty

.

Zapisujemy to wzorem

,

.

Podstawowe własno ci funkcji wypukłych opisuje nast puj ce:

TWIERDZENIE. Na to, aby funkcja

była wypukła potrzeba i wystarcza, aby

miała nast puj ce własno ci:

1. Funkcja jest ci gła we wn trzu

przedziału i ponadto, gdy przedział jest pół-

otwarty, albo domkni ty, wtedy w odpowiednim ko cu

przedziału funkcja spełnia

warunek

.

2. W ka dym punkcie

funkcja ma pochodn lewostronn

i prawostronn

i pochodne te s równe, z wyj tkiem by mo e przeliczalnej liczby punktów z

, przy czym spełnione s nierówno ci

1

Antoni M. Zaj czkowski: Algorytmy i podstawy programowania – minimum funkcji unimodalnej 5 kwietnia 2009

,

,

.

St d w szczególno ci wynika, e je eli jest ró niczkowalna, to jest wypukła wtedy i tylko wtedy, gdy

jest funkcj rosn c oraz, je eli jest dwukrotnie ró niczkowalna, to jest wypukła wtedy i tylko wtedy, gdy

jest nieujemna.

Dowód: (Schwartz, 1979, 208).

Zadanie. Pokaza , e funkcja

jest funkcj wypukł .

DEFINICJA. Funkcj

nazywamy funkcj ci le wypukł ( strictly convex

function), je eli dla dowolnych, ró nych punktów

,

.

DEFINICJA. Funkcja

jest nazywana funkcj wkl sł ( concave function), je eli funkcja

jest wypukła. Funkcj nazywamy ci le wkl sł ( strictly concave), je eli funkcja

jest ci le wypukła.

TWIERDZENIE. Niech

b dzie punktem lokalnego minimum funkcji

. Je-

eli jest funkcj wypukł , to

jest punktem globalnego minimum tej funkcji, a je eli

funkcja jest funkcj ci le wypukł , to

jest jedynym punktem globalnego minimum tej

funkcji.

Dowód: (Bazarra, Shetty, 1982, 107).

Poj cie funkcji wypukłej (wkl słej) mo na uogólni w ró ny sposób (Bazarra, Shetty, 1982). Jednym z uogólnie , które jest wa ne przy projektowaniu algorytmów znajduj cych minimum funkcji rzeczywistej w danym przedziale sko czonym jest poj cie funkcji quasi-wypukłych ( quasi convex functions).

DEFINICJA. Funkcj

nazywamy quasi-wypukł , je eli dla dowolnych

i

spełniona jest nierówno

.

Przykład (Canon, Cullum, Polak, 1970, 253). Funkcja

jest quasi-

wypukła, ale nie jest wypukła.

TWIERDZENIE. Funkcja

jest funkcj quasi-wypukł wtedy i tylko wtedy, gdy

zbiór

jest zbiorem wypukłym albo pustym dla dowolnego

.

Dowód: (Bazarra, Shetty, 1982, 107).

DEFINICJA. Funkcja

nazywana jest funkcj ci le quasi-wypukł ( strictly quasi convex), je eli dla dowolnych

takich, e

i dowolnego

spełniona jest nierówno

.

TWIERDZENIE. Niech

b dzie funkcj ci le quasi-wypukł . Je eli punkt

jest punktem lokalnego minimum funkcji , to jest on tak e punktem globalnego minimum tej funkcji.

Dowód: (Bazarra, Shetty, 1982, 117).

2

Antoni M. Zaj czkowski: Algorytmy i podstawy programowania – minimum funkcji unimodalnej 5 kwietnia 2009

Nale y tu doda , e poj cie funkcji ci le quasi-wypukłej jest równowa ne (Bazarra, Shetty, 1982) poj ciu funkcji unimodalnej ( unimodal function), której definicja jest nast pu-j ca:

DEFINICJA. Funkcj nazywamy funkcj unimodaln w przedziale

, je eli

istnieje w tym przedziale punkt

, w którym funkcja osi ga minimum na

oraz dla

takich, e

,

i

spełnione s warunki

, gdy

i

, gdy

.

Dalej interesowa nas b dzie problem algorytmicznego wyznaczenia minimum funkcji ci-le quasi-wypukłej w przedziale domkni tym

. Je eli znajdziemy punkt mini-

mum lokalnego tej funkcji, to zgodnie z odpowiednim twierdzeniem, podanym wy ej, b dzie to jednocze nie punkt minimum globalnego rozwa anej funkcji.

Niech b dzie dana funkcja

, przy czym zakładamy, e nie znamy punktu

minimum lokalnego tej funkcji w przedziale

, o ile taki punkt istnieje. W takim przy-

padku przedział

nazywamy przedziałem niepewno ci ( uncertainty interval).

TWIERDZENIE. Niech

b dzie funkcj ci le quasi-wypukł i niech

i

.

1. Je eli

, to

.

2. Je eli

, to

.

Dowód: Pierwsza teza. Przypu my, e

. Poniewa mo na przedstawi jako

kombinacj wypukł punktów i , a jest funkcj ci le quasi-wypukł , to

, co jest sprzeczne z zało eniem.

Podobnie mo na wykaza drug tez .

Z podanego twierdzenia wynika, e je eli funkcja jest ci le quasi-wypukła, to mo na zmniejszy przedział niepewno ci w nast puj cy sposób:

Je eli

, to nowym przedziałem niepewno ci jest

, a w przeciwnym przy-

padku

.

Pozostało jeszcze podanie sposobów, czyli algorytmów zmniejszania przedziału niepewno-ci.

ALGORYTM DWUDZIELNY (DYCHOTOMICZNY). Pomysł polega na podzieleniu pocz tko-wego przedziału niepewno ci

na pół, przy czym, aby dosta

przyjmujemy

i kładziemy

i

.

Mo na teraz sformułowa algorytm dwudzielny.

Inicjacja – krok pocz tkowy.

Niech

b dzie pocz tkowym przedziałem niepewno ci. Przyj numer iteracji

,

i minimaln , dopuszczaln długo

przedziału niepewno ci.

Krok podstawowy.

1. Je eli

, to koniec. Punkt minimum funkcji nale y do przedziału

.

Mo na przyj

i

.

W przeciwnym przypadku wyznaczy

,

i przej do punktu 2.

3

Antoni M. Zaj czkowski: Algorytmy i podstawy programowania – minimum funkcji unimodalnej 5 kwietnia 2009

2. Je eli

, to podstawi

,

,

w przeciwnym przypadku podstawi

,

.

Zwi kszy o i wróci do punktu 1.

Zadanie. Pokaza , e długo przedziału

dana jest wzorem

.

Zadanie obliczeniowe 1. Napisa , uruchomi i przetestowa program w j zyku Ada wyznaczaj cy w sposób przybli ony punkt minimum i warto minimum funkcji ci le quasi-wypukłej wg algorytmu dwudzielnego. Program powinien te wyznaczy liczb oblicze funkcji oraz prezentowa dane wej ciowe i histori przedziałów niepewno ci. Zwróci uwag na to, e długo ko cowego przedziału niepewno ci nie mo e by wi ksza od pocz tkowej długo ci tego przedziału. Nie wolno stosowa instrukcji goto. Funkcje testowe: a).

,

,

b).

,

,

c).

,

.

ALGORYTM ZŁOTEGO PODZIAŁU. Efektywno algorytmu zmniejszaj cego przedział niepewno ci zale y od współczynnika zw enia tego przedziału. Bardziej efektywn metod zw ania przedziału niepewno ci ni stosowana w algorytmie dwudzielnym jest nast puj ca metoda złotego podziału:

Inicjacja – krok pocz tkowy.

Niech

b dzie pocz tkowym przedziałem niepewno ci. Przyj numer iteracji

,

minimaln , dopuszczaln długo

przedziału niepewno ci oraz

,

,

przy czym

oznacza współczynnik złotego podziału.

Obliczy

,

i przej do kroku podstawowego.

Krok podstawowy.

1. Je eli

, to koniec. Punkt minimum funkcji nale y do przedziału

.

Mo na przyj

i

.

W przeciwnym przypadku je eli

, to przej do punktu 2., a je eli

, to przej do punktu 3.

2. Podstawi

,

,

,

,

Obliczy

i przej do punktu 4.

3. Podstawi

,

,

,

,

Obliczy

i przej do punktu 4.

4. Zwi kszy o i wróci do punktu 1.

Zadanie obliczeniowe 2. Napisa , uruchomi i przetestowa program w j zyku Ada wyznaczaj cy w sposób przybli ony punkt minimum i warto minimum funkcji ci le quasi-4

Antoni M. Zaj czkowski: Algorytmy i podstawy programowania – minimum funkcji unimodalnej 5 kwietnia 2009

wypukłej wg algorytmu złotego podziału. Wymagania i funkcje testowe takie same jak w po-przednim zadaniu obliczeniowym.

LITERATURA

Bazarra, M.S. i C.M. Shetty. (1982). Nieliniejnoje programirowanije. Tieorija i algoritmy.

Mir, Moskwa (tłum. z ang.).

Canon, M.D., C.D. Cullum, E. Polak. (1970). Theory of optimal control and mathematical programming. McGraw-Hill, New York.

Findeisen, W., J. Szymanowski, A. Wierzbicki. (1980). Teoria i metody obliczeniowe optymalizacji. PWN, Warszawa, wyd. II.

Luenberger, D.G. (1973). Introduction to linear and nonlinear programming. Addison-Wesley, Reading, Mass.

Ławrynowicz, J. (1977). Rachunek wariacyjny ze wst pem do programowania matematycznego. WNT, Warszawa.

Schwartz, L. (1979). Kurs analizy matematycznej. Tom I. PWN, Warszawa (tłum. z franc.).

5