Відмінності між версіями «Задача СП з розв’язувальним розподілом за умови детермінованих параметрів умов обмежень. Дискретний розв’язувальний розподіл.»
9167454 (обговорення • внесок) м |
|||
(не показані 8 проміжних версій 3 учасників) | |||
Рядок 1: | Рядок 1: | ||
− | + | ===Загальна математична постановка задачі математичного програмування=== | |
+ | |||
+ | Типову задачу математичного програмування в детермінованій постановці можна сформулювати так: | ||
+ | |||
+ | Визначити вектор <math>X=(x_1, x_2, x_3, ..., x_n)</math>, для компонент якого: | ||
+ | |||
+ | |||
+ | <math>max(min)F=f(X)</math>, | ||
+ | |||
+ | <math>q_i(X)\leq0(i=1..m)</math>, | ||
+ | |||
+ | <math>X\geq0</math>. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Якщо функції в даній задачі, крім керованих параметрів <math>X</math>, залежать ще й від деяких випадкових величин <math>\omega=(\omega_1, \omega_2, \omega_3, ..., \omega_n)</math>, то матимемо задачу стохастичного програмування: | ||
+ | |||
+ | |||
+ | <math>max(min)F=f(X, \omega)</math>, | ||
+ | |||
+ | <math>q_i(X, \omega)\leq0(i=1..m)</math>, | ||
+ | |||
+ | <math>X\geq0, \omega\in\Omega</math>. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Де <math>\omega</math> — простір подій <math>\Omega</math>. | ||
+ | |||
+ | Залежно від можливості здобути та врахувати інформацію про детермінованості (стохастичності) функцій <math>f(X, \omega), q_i(X, \omega)</math> задачі, постановки задач стохастичного програмування можуть містити: | ||
+ | |||
+ | а) стохастичні коефіцієнти цільової функції та детерміновані обмеження; | ||
+ | |||
+ | б) детерміновані коефіцієнти цільової функції та стохастичні вільні члени і коефіцієнти системи обмежень; | ||
+ | |||
+ | в) стохастичні коефіцієнти цільової функції, вільні члени і коефіцієнти системи обмежень. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Конкретні постановки задач стохастичного програмування мають свою специфіку. Перш за все необхідно враховувати таке: | ||
+ | |||
+ | 1. Вектор <math>X</math> є детермінованим чи випадковим. Якщо вектор <math>X</math> детермінований, то він не залежить від випадкових параметрів моделі. Якщо він випадковий, то тоді <math>X(\omega)</math> залежить від випадкових параметрів. | ||
+ | |||
+ | 2. Як розуміти максимізацію (мінімізацію) цільової функції — як абсолютну (для всіх значень <math>\omega\in\Omega</math>), чи як максимізацію її математичного сподівання або деякої іншої ймовірнісної характеристики цієї функції (моди, медіани), або мінімізації середньоквадратичного відхилення. Наприклад, що краще, мати платню 500 ± 200 чи 450 ± 50. У першому випадку платня може змінюватись в межах 300 - 700, у другому лише 400 - 500 грн. | ||
+ | |||
+ | 3. Як виконуються обмеження — абсолютно для всіх <math>\omega\in\Omega</math>, чи в середньому або з допустимими порушеннями, ймовірність яких мала. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | При постановці задач стохастичного програмування слід виходити не тільки з математичних міркувань, а й з економічного змісту та евристичних міркувань. Наприклад, детермінованість чи стохастичність вектора <math>X</math> визначається із сутності економічних, технологічних процесів, тощо. Для сільськогосподарського підприємства вектор, що визначатиме площі посіву рослинницьких культур, обов’язково має бути детермінованим, якщо ж шуканий вектор для того ж підприємства за тих самих умов визначатиме, наприклад, обсяги кредитів, його компоненти мають бути стохастичними величинами, бо достеменно невідомо, чи будуть вони отримані. Методи розв’язування стохастичних задач ділять на дві групи — прямі та непрямі. | ||
+ | |||
+ | Прямі методи використовуються для розв’язування задач стохастичного програмування, коли існують способи побудови функцій <math>f(X,\omega)</math> і <math>g_i(X,\omega)\leq0, i=1..m</math> на базі інформації про параметри <math>\omega</math>. Непрямими є методи зведення стохастичної задачі до задачі лінійного чи нелінійного програмувань, тобто, перехід до детермінованого аналогу задачі стохастичного програмування. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | =====Постановка задачі:===== | ||
+ | |||
+ | У задачах першого класу з детермінованими параметрами умов потрібно обчислити розподіл <math>F_x</math> вектора <math>X</math> при якому: | ||
+ | |||
+ | |||
+ | <math>M\phi_0 (x) =\int \phi_0 dF_x \rightarrow \infty</math>, (1) | ||
+ | |||
+ | <math>M\phi_i (x) =\int \phi_i dF_x \leq 0, i=1,2, ..., m</math>, (2) | ||
+ | |||
+ | <math>x\in X</math>, (3) | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Де <math>X</math> - задана множина в n-вимірному евклідовому просторі. | ||
+ | |||
Введемо нові змінні: | Введемо нові змінні: | ||
− | |||
− | |||
− | |||
− | + | <math>y = \phi_i (x)</math>, (4) | |
+ | |||
+ | |||
+ | Відображення (4) переводить множину <math>X \subset R^n </math>, в <math>X \subset R^{m+1}</math>. | ||
+ | |||
+ | В цьому випадку <math>Y</math> - не випукла і незамкнута множина. | ||
+ | |||
+ | Позначемо через <math>coY</math>, випуклу множину <math>Y</math>. | ||
+ | |||
+ | Задача (1) - (3) може бути записана в вигляді: | ||
+ | |||
+ | |||
+ | <math>y_0 \rightarrow \infty</math>, (5) | ||
+ | |||
+ | <math>y_i \le 0, i = 1..m</math>, (6) | ||
+ | |||
+ | <math>y = (y_0, y_1, ... , y_m)\in coY</math>, (7) | ||
+ | |||
+ | |||
+ | Згідно теореми Каретеодорі для побудови випуклої оболонки множини <math>\ Y </math> із <math>\ m+1 </math> - вимірного простору потрібно загалом не більш <math>\ m+2 </math> точок <math>\ y \in Y </math>. Це значить, що <math>\ coY </math> може бути представлена в вигляді: | ||
+ | |||
− | + | <math>coY= {\sum^{m+1}_{k=0}\phi_{i}(x_{k})p_{k}}</math>; | |
− | <math> | + | <math>i = 0, 1, ..., m</math>, |
− | <math>\ | + | <math>p_k \geq 0</math>, |
− | <math>\ | + | <math>\sum^{m+1}_{k=0} p_{k}=1</math>, |
+ | <math>x_k\in X</math>. | ||
− | |||
− | <math>\ | + | Нас цікавлять тільки точки <math>y \in Y \subset R^{m+1}</math>, одна з координат яких <math>y_0</math> досягає свого екстремального значення. Такі точки відповідно з наслідком теореми Каратеодорі можуть бути представлені як випуклі комбінації не більш ніж <math>m+1</math> векторів <math>x_k \in X</math> і <math>m+1</math> чисел <math>p_k</math>, <math>(k = 1..m)</math>, <math>p_k \geq 0 </math>, |
+ | <math>\sum^{m}_{k=0} p_{k}=1</math>. | ||
− | + | Таким чином, задача (1) - (3) еквівалентна наступній скінченномірній задачі: | |
− | <math> | + | Потрібно обчислити вектори <math>x_{k}</math> і числа <math>p_{k} </math>, які визначають нижню межу функціонала |
− | |||
− | <math>\ | + | <math>{\sum^{m}_{k=0} \phi_{0}(x_{k})p_{k}}</math>; (8) |
− | |||
− | + | За умови: | |
− | |||
− | + | <math>{\sum^{m}_{k=0} \phi_{i}(x_{k})p_{k} \leq 0, i = 1, ..., m}</math>; (9) | |
− | <math>\ | + | <math>x_{k}\in X, p_{k} \geq 0, k = 0,1, ..., m, \sum^{m}_{k=0} p_{k}=1</math>, (10) |
− | |||
− | <math>\ | + | Вектори <math>x\ast_{k}</math> і числа <math>p\ast_{k} </math>, що становить оптимальний план задачі (8) - (10), визначають дискретний розв'язувальний розподіл вихідної задачі (1) - (3). |
+ | Для розв'язку задачі (8) - (10) використаємо ітеративний метод. | ||
+ | Зафіксуємо довільним чином <math>m+1 </math> точку <math>x_{k}\in X, k = 0,1, ..., m</math>, і розв'яжемо отриману при цьому задачу лінійного програмування (8) - (10). | ||
− | <math>\ | + | Нехай <math>\ p^{(1)}=(p_{0}^{(1)}, ..., p_{m}^{(1)}) </math>, i <math>\lambda^{(1)}=(\lambda_{0}^{(1)}, ..., \lambda_{m+1}^{(1)}) </math>, - розв'язок прямої і двоїстої задачі. Введемо в базис задачі новий розширений вектор умов <math>(\psi_{0}(x), \psi_{1}(x),...,\psi_{m}(x),1)^T</math> так, щоб значення цільового функціоналу (8) при цьому зменшилося. |
+ | Відповідна точка <math>\ x\in X </math> повинна задовольняти умову: | ||
− | + | <math>\sum^{m}_{k=0}\lambda_{i} ^{(1)}\phi_{i}{x}+\lambda_{m+1} ^{(1)}< -\psi_{0}(x) </math> . | |
− | |||
− | |||
− | + | Нову точку <math>x_{m+1}</math> можна обчислити в результаті розв'язку допоміжної задачі: | |
− | + | ||
− | |||
− | <math> \sum^{m}_{k=0}\lambda_{i} ^{(1)}\phi_ | + | <math>\psi_{0}(x)=\sum^{m}_{k=0}\lambda_{i} ^{(1)}\phi_{x}\longrightarrow min </math>, |
− | + | <math>x\in X </math>. | |
− | |||
− | <math> | + | Обчислив <math>x_{m+1}</math>, знаходим новий розв'язок лінійної задачі (8) - (10) і двоїстої до неї і т.д. |
− | + | Зрозуміло, що для реалізації інеративного методу достатньо на кожній ітерації зберігати в пам'яті не більш <math>\ m+2 </math> точок <math>\ x_{k}</math>. | |
− | + | Виконала: [[Юрченко Тетяна Сергіївна|Юрченко Тетяна Сергіївна ]] | |
− | + | Редагували: [[Лисенко Наталія|Лисенко Наталія ]], [[Токарь Володимир|Токарь Володимир]] |
Поточна версія на 04:02, 28 грудня 2020
Загальна математична постановка задачі математичного програмування
Типову задачу математичного програмування в детермінованій постановці можна сформулювати так:
Визначити вектор Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X=(x_1, x_2, x_3, ..., x_n) , для компонент якого:
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): max(min)F=f(X)
,
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): q_i(X)\leq0(i=1..m) ,
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X\geq0 .
Якщо функції в даній задачі, крім керованих параметрів Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X
, залежать ще й від деяких випадкових величин Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \omega=(\omega_1, \omega_2, \omega_3, ..., \omega_n)
, то матимемо задачу стохастичного програмування:
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): max(min)F=f(X, \omega)
,
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): q_i(X, \omega)\leq0(i=1..m) ,
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X\geq0, \omega\in\Omega .
Де Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \omega
— простір подій Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \Omega
.
Залежно від можливості здобути та врахувати інформацію про детермінованості (стохастичності) функцій Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): f(X, \omega), q_i(X, \omega)
задачі, постановки задач стохастичного програмування можуть містити:
а) стохастичні коефіцієнти цільової функції та детерміновані обмеження;
б) детерміновані коефіцієнти цільової функції та стохастичні вільні члени і коефіцієнти системи обмежень;
в) стохастичні коефіцієнти цільової функції, вільні члени і коефіцієнти системи обмежень.
Конкретні постановки задач стохастичного програмування мають свою специфіку. Перш за все необхідно враховувати таке:
1. Вектор Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X
є детермінованим чи випадковим. Якщо вектор Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X детермінований, то він не залежить від випадкових параметрів моделі. Якщо він випадковий, то тоді Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X(\omega) залежить від випадкових параметрів.
2. Як розуміти максимізацію (мінімізацію) цільової функції — як абсолютну (для всіх значень Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \omega\in\Omega ), чи як максимізацію її математичного сподівання або деякої іншої ймовірнісної характеристики цієї функції (моди, медіани), або мінімізації середньоквадратичного відхилення. Наприклад, що краще, мати платню 500 ± 200 чи 450 ± 50. У першому випадку платня може змінюватись в межах 300 - 700, у другому лише 400 - 500 грн.
3. Як виконуються обмеження — абсолютно для всіх Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \omega\in\Omega , чи в середньому або з допустимими порушеннями, ймовірність яких мала.
При постановці задач стохастичного програмування слід виходити не тільки з математичних міркувань, а й з економічного змісту та евристичних міркувань. Наприклад, детермінованість чи стохастичність вектора Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X
визначається із сутності економічних, технологічних процесів, тощо. Для сільськогосподарського підприємства вектор, що визначатиме площі посіву рослинницьких культур, обов’язково має бути детермінованим, якщо ж шуканий вектор для того ж підприємства за тих самих умов визначатиме, наприклад, обсяги кредитів, його компоненти мають бути стохастичними величинами, бо достеменно невідомо, чи будуть вони отримані. Методи розв’язування стохастичних задач ділять на дві групи — прямі та непрямі.
Прямі методи використовуються для розв’язування задач стохастичного програмування, коли існують способи побудови функцій Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): f(X,\omega)
і Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): g_i(X,\omega)\leq0, i=1..m на базі інформації про параметри Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \omega
. Непрямими є методи зведення стохастичної задачі до задачі лінійного чи нелінійного програмувань, тобто, перехід до детермінованого аналогу задачі стохастичного програмування.
Постановка задачі:
У задачах першого класу з детермінованими параметрами умов потрібно обчислити розподіл Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): F_x
вектора Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X при якому:
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): M\phi_0 (x) =\int \phi_0 dF_x \rightarrow \infty
, (1)
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): M\phi_i (x) =\int \phi_i dF_x \leq 0, i=1,2, ..., m , (2)
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x\in X , (3)
Де Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X
- задана множина в n-вимірному евклідовому просторі.
Введемо нові змінні:
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): y = \phi_i (x)
, (4)
Відображення (4) переводить множину Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X \subset R^n
, в Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): X \subset R^{m+1}
.
В цьому випадку Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): Y
- не випукла і незамкнута множина.
Позначемо через Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): coY , випуклу множину Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): Y .
Задача (1) - (3) може бути записана в вигляді:
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): y_0 \rightarrow \infty
, (5)
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): y_i \le 0, i = 1..m , (6)
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): y = (y_0, y_1, ... , y_m)\in coY , (7)
Згідно теореми Каретеодорі для побудови випуклої оболонки множини Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \ Y
із Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \ m+1 - вимірного простору потрібно загалом не більш Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \ m+2 точок Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \ y \in Y
. Це значить, що Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \ coY
може бути представлена в вигляді:
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): coY= {\sum^{m+1}_{k=0}\phi_{i}(x_{k})p_{k}}
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): i = 0, 1, ..., m ,
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): p_k \geq 0 ,
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \sum^{m+1}_{k=0} p_{k}=1 ,
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x_k\in X .
Нас цікавлять тільки точки Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): y \in Y \subset R^{m+1}
, одна з координат яких Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): y_0
досягає свого екстремального значення. Такі точки відповідно з наслідком теореми Каратеодорі можуть бути представлені як випуклі комбінації не більш ніж Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): m+1 векторів Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x_k \in X і Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): m+1 чисел Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): p_k
, Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): (k = 1..m) , Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): p_k \geq 0 , Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \sum^{m}_{k=0} p_{k}=1 .
Таким чином, задача (1) - (3) еквівалентна наступній скінченномірній задачі:
Потрібно обчислити вектори Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x_{k}
і числа Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): p_{k}
, які визначають нижню межу функціонала
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): {\sum^{m}_{k=0} \phi_{0}(x_{k})p_{k}}
- (8)
За умови:
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): {\sum^{m}_{k=0} \phi_{i}(x_{k})p_{k} \leq 0, i = 1, ..., m}
- (9)
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x_{k}\in X, p_{k} \geq 0, k = 0,1, ..., m, \sum^{m}_{k=0} p_{k}=1 , (10)
Вектори Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x\ast_{k}
і числа Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): p\ast_{k}
, що становить оптимальний план задачі (8) - (10), визначають дискретний розв'язувальний розподіл вихідної задачі (1) - (3).
Для розв'язку задачі (8) - (10) використаємо ітеративний метод. Зафіксуємо довільним чином Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): m+1
точку Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x_{k}\in X, k = 0,1, ..., m
, і розв'яжемо отриману при цьому задачу лінійного програмування (8) - (10).
Нехай Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \ p^{(1)}=(p_{0}^{(1)}, ..., p_{m}^{(1)}) , i Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \lambda^{(1)}=(\lambda_{0}^{(1)}, ..., \lambda_{m+1}^{(1)}) , - розв'язок прямої і двоїстої задачі. Введемо в базис задачі новий розширений вектор умов Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): (\psi_{0}(x), \psi_{1}(x),...,\psi_{m}(x),1)^T
так, щоб значення цільового функціоналу (8) при цьому зменшилося.
Відповідна точка Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \ x\in X
повинна задовольняти умову:
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \sum^{m}_{k=0}\lambda_{i} ^{(1)}\phi_{i}{x}+\lambda_{m+1} ^{(1)}< -\psi_{0}(x)
.
Нову точку Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x_{m+1}
можна обчислити в результаті розв'язку допоміжної задачі:
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \psi_{0}(x)=\sum^{m}_{k=0}\lambda_{i} ^{(1)}\phi_{x}\longrightarrow min
,
Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x\in X .
Обчислив Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): x_{m+1}
, знаходим новий розв'язок лінійної задачі (8) - (10) і двоїстої до неї і т.д.
Зрозуміло, що для реалізації інеративного методу достатньо на кожній ітерації зберігати в пам'яті не більш Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \ m+2
точок Неможливо розібрати вираз (невідома помилка): \ x_{k}
.
Виконала: Юрченко Тетяна Сергіївна
Редагували: Лисенко Наталія , Токарь Володимир