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一个关于Lipschitz函数的全局优化算法

来源:小奈知识网
第25卷第2期 2 0 1 2年5月 青岛大学学报(自然科学版) JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY(Natural Science Edition) Vo1.25 NO.2 Mav 2 0 1 2 文章编号:1006—1037(2012)02—0021—04 doi:10.3969/j.issn.1006—1037.2012.05.004 一个关于Lipschitz函数的全局优化算法 杨婷婷,田志远 ,黎 博,汪雪萍 (青岛大学数学科学学院,山东青岛266071) 摘要:研究了关于Lipschitz函数的全局优化算法,把辐射状细分的剖分技术和二分法运 用到单纯形算法中,充分利用当前计算所得到的最优信息,结合分支定界单纯形的优势, 改进了单纯形算法,分析了算法的可行性,并给出了算法的收敛性证明。 关键词:全局优化;Lipschitz函数;单纯形 中图分类号:0221.2 主题分类号:90C25 文献标志码:A 1 问题 Lipschitz优化问题是全局优化的一种特殊形式,考虑下面问题 minf(-z) 3-∈尸 (1) 求z ,使得f(x )≤厂(z),V-z∈P,其中P是在.R”上具有非空内点的多胞形,即P一{z∈R”l Ax≤ b},A=(n ,a “,a ) E R ,b∈R 。f是定义在S上的Lipschitz函数,即厂满足 1_厂(z)~厂( )I≤L I lz—Y_l,V-z, ∈S 为单纯形的顶点。我们把这种问题称为Lipschitz优化问题。 (2) 其中Il・ll表示Euclidean范数,且PCS,S为单纯形,即S可以表示S—I-v0, ,…, ],其中 o,72 ,…, 2 最优下界 根据厂的解析性质,P为单纯形,且有 厂( )一L ll 一 ll≤厂(z)≤_厂(y)+L lI z一 ll,Vz,Y∈S 若 ∈P固定,则 Fy(x)一_厂( )一L l lz— l l是,(z)在P上的下界估计。下面我们引进凸包络的定义,它在全局优化算法的研究中占有重要作用。 (4) (3) 命题2.1设厂:s一尺是下半连续函数,其中s是R 中非空凸集,则称 (.z)是-厂(z)在5上的凸包络,如果 (-z)满足: (1) (z)在S上是凸的; (2) (z)≤,(z),对所有的 ∈S; (3)若h(z)是任意一个定义在S上的凸函数,并且对于所有zES,h(z)≤厂(z),则有h( )≤ (z)。 根据这个定义,函数的凸包络实际上是该函数在s上的最佳一致凸下方估计。 引理2.1对于minf(x),其中s是尺”中紧凸集。令 (z)是函数厂( )在S上的凸包络,则有 f 一min{-厂(z)l ∈S}一rain{ (z)l zE S)且 2O1 l—l2一l2 *收稿日期: 基金项目: 山东省高等学校科技计划项目(JIOLA05) 作者简介: 杨婷婷(1986一),女,山东人,硕士研究生,研究方向为计算数学。 *通讯作者: 田志远,青岛大学数学科学学院教授。E—mail:tttssx@126.corn 22 青岛大学学报(自然科学版) {Y∈S1 ( )一f } {Y∈S} ( )一-厂 )。 第25卷 此引理表明,为了求解最优问题,我们可以求解其相应的凸包络的优化问题。 定理2・1口 设S—Iv。,V ,…,V ]是,卜单纯形。令f:S--- ̄R是S上的凹函数则f在S上的凸包络 是 。仿射函数,且满足 ( )一f(v ),0≤ ≤ , 若z∈s∞z一∑ ,∑ ===1, ≥0,0≤i≤竹, 0 0 (z)一∑A f(v ) 0 这里我们可以看到,由 于z的相关性,我们也可记成 (z)一∑A ̄f(v )。 命题2.2设s是单纯形,P是R 上的多胞形。令Q是S的有限点集,,是定义在S上的利普希兹函数,且 已知Lipschitz常数L。对于每个yEQ,令 表示凹函数F ( )一,( )一L l lx--y ll在s上的凸包络。则 线性规划 arin t S.t. (Lz)≤ ,yEQ z∈SnP (5) 的最优值 (5 n P)是min{f(x)e z∈Sn P}的下界,且当S n P一 时 (S n P)一。。。我们记 (S n P)一 (S),当前最优点z 一co(S)。 (S)为S的可行顶点集。 3单纯形算法 下面给出用来求解问题(1)的单纯形算法,下界 (s)由命题2.2给出。 算法3.1 Step 0 初始 单纯形S。 P,0<£<1, 。一 (s。),70一rain{厂(z)f 37.∈Q。},Q。一To U (S。),其中T。 是S。在某种概率分布下产生的样本点集, 一{S。), 。==:{Y∈Q。l,( )一yo),k一0。 Step 1 若 一 ≤£或M 一 ,则算法停止, 为近似最优值, 一{ ∈ l厂( )= )为最优点集;否 则,选取S ∈M,使得 (S )一p- ,及相应的最优点 (S ),令y=:: 。 Step 2依点叫(s )对s 进行辐射状细分。 (S )::= +…+ +…+ ,将s 剖分成P个(正 的 的个数)单纯形,其中S 一[ ,…, ,∞(s), ”, ]∈I1,当且仅当 >O。对于工1中的每个单纯 形,求解问题(2)得 (5 ),及相应的 (s ),i—l,…,P,同时更新y的值。检查 中的每个单纯形是否满足 y--/z(S )<(1--s)( 一 )。 Step 3 对于r中不满足条件的单纯形s ,以s 最长的边的中点为基准将其对分,直至满足y一 (S ) <(1--s)( --F ),同时更新),的值。 Step 4 令Q +l—Q U (S +1), +】一rain{y,-厂(∞(S ))},i一1,…,P。 Mk+ 一( UI1)\{S ), + 一 \{S  l(S)≥y ),// ̄+i—rain{ (S)l S∈ ),令k:一k+1,返回第1 步。 4收敛性分析 定义4.I 令s是 一单纯形,顶点集为 (s)一( 。,73 一,73 }。选择一个点叫∈S且 (s),它可以惟一的 表示成 :∑ , ≥0,( 一0,1,…, ),∑ 一1。对于每个使Ai>0的 ,用叫代替顶点 ,构建单纯 0 0 形S(i, ),即 S(i,叫)===CO{ o,…, 一1, , 汁1,…,73 }。 这种细分称为辐射状细分,也称 细分。 第2期 杨婷婷,等:一个关于Lipschitz函数的全局优化算法 23 若∞取S最长边的中点,则S被分成两个子单纯形,我们把这种细分称为对分或二分。 命题4.2对于以单纯形S最长的边的中点为基准的对分法,在对分下,S 的直径a(S )逐渐减小,则当忌一 。。时, (S )一0。 根据辐射状细分的定义,设s + 是由S 生成的一个子单纯形,对于 ∈Sk+ ,z— o +…+ +…+ ,其中Ai≥0,∑ 一1,有 s (Iz)≥ s ( )。 初 定理4.1 (1)算法3.1在£>O时,有限步迭代停止。 (2)若算法3.1无限进行,则由算法生成的无限序列{yk),有 1im ^一limf(y )一limyk 始 0 且由序列{ )产生的每个聚点Y 是问题minf (z)的最优点。 一 一 证明 设 是序列{ }CP产生的一个聚点,令厂 =min{f(x)l z∈P)。序列{ }是-厂 单调上升的下界。 8 O 序列{y }是厂 单调下降的上界,且有 一 im 的存在。由 (z)的连续性,可知 =f(Yk),由于 一 ≥ 7 l 0,则lia(r 一 )一0。y 一lim7女 k— ∞ —÷o。 /L S 0 我们用反证法。假设存在一个£。>0,使得 im( --,uk):e。,由此,我们得不妨取一个o<艿< ,,. 一、,,存在  1 ................,..... .....一 个K>0,当忌>K时,有 一 <£。+ 。则 y女+l-- ̄z +l<(1一£)( --/z )<(1--s)(£0+ )≤(1一£)(So+ )一eo 1 2 O O 8  ●●●●●●●●●●●●f●●‘●●●●J由此,假设不成立。 又由 O 一 ≤f ≤), 一f(Y )一limf(y ), 从而 lim ^一limf(y^)一lim7 , lim 一limf(y^)一lim7 ,且f(Y )一厂 。即证结论。 ∞ —+∞ —’。。 1 口 对于min—l z +寺32 +÷z。I专一32;,P一{32∈R。I Ax≤b,32≥0}为多胞形,其中A一 1 1 1 1 —1 —1/4 .2 —2 O O 1 1 b一 由 < ,对S。辐射状剖分,得 (S…):一3.722, (Sll2)一一3.722, (s ,s)一~6,y 一一3.722,由于 (s1.1)一 (S1,2)一),1知最优值-厂 一 3.722。由于 (S1I3)< ,对s 进行辐射状剖分, (Sz, )一一3.722, (Sz。z)一一3.722,),z一一3.722。 此时 z—yz,算法结束。最优值为一3.722,最优解为(1.2,0,0.8) 。 通过此例子,可以知道,算法3.1可以解决此类优化问题且比单一的二分法[1]更简洁。 5 总 结 辐射状细分是单纯形算法中的一种重要剖分技术,虽然其收敛性在很长一段时间内都未得到证明,但 Horst ̄Thoai给出许多数值试验,表明这种剖分比纯粹的对分能产生较好的数值结果[1]。本文充分利用 了优化问题的特殊结构,把辐射状细分技术和二分法结合起来,提高了算法的可行性,并证明了算法的收敛 性。 参考文献: [1]Horst R,Pardalos P M,Thoai N V,Introduction tO Global Optimization[M].Kluwer,Dordrecht,1995 [2]申培萍.全局优化方法I-M].北京:科学出版社,2006,7—57. 24 青岛大学学报(自然科学版) 第25卷 li M,Raber U,On Convergence of the Simplicial Branch—and—Bound Algorithm Based on∞一Subdivi—sions [3] Locatel[J]. J Optim Theory Appl,2000,107:69—79. [4] Piyavskii,S.A,An algorithm for finding the absolute minimum.Institute of Cybernetics(IK AN USSR)[J]. Kiev, 1967,13—24. [5]Giampaolo Liuzzi,Stefano Lueidi,Veronica Piecialli。A partition—based global optimization algorithm[J].Olob Optim, 2O1O,48:113—128. section by Global Optimization  [6] Horst R,BiRevisited.[J]J.Optim Theory App1. 2008,137:171—194.ano M,Lera D,A global minimization [7] Gavioptimization Letters,2008,2:1一l3 algorithm for Lipschitz functions[J]. A Global Optimization Algorithm of Lipschitz Function YANG Ting—ting,TIAN Zhi—yuan,LI—Bo,WANG Xue—ping (College of Mathematics,Qingdao University,Qingdao 266071,China) Abstract:The global optimization problem of a Lipschitz function over a polytope is studied.In this arti— cle。a cU—subdivision and a bisection subdivision are employed in the simplex algorithm for Lipschitz func— tion.The simplex algorithm is improved by making full use of the best information and advantage of the branch of the simplex.The convergent of the algorithm based on this subdivision is also proved. Key words:Global Optimization;Lipschitz Function;simplex 责任编辑:乔春秀 英文编辑:张辉群 (上接第2O页) Dynamic Network Design and Defense Principles for the Global Optimal Designer —rong, YIN Lian—ling,XUAN Hai XU Mi GAO Hong—wei,WANG Gui,Qingdao 266071,China) (College of Mathematics,Qingdao University, Abstract:In this paper,We begin with the network design,and assume that the designer also undertakes the obligation of defending the network during the process of designing.According to the different orders of the network design,defense and attack,we mainly discuss the dynamic network design processes, which are carried out by the designer on the basis of the defense—attack results of each period.We establish the global optimal principles for the designer,that is,in a multiperiod dynamic network design environ~ ment。the principles of the designer to maximize the payoff summation when facing the strategic or random attack. Besides,we also assume that the attacker aims at maximizing the period payoff. Our primary con— tribution is giving the fundamental principles of the dynamic network design and defense. Key words:dynamic network design;defense;attack;DDA game;DAD game 责任编辑:乔春秀 英文编辑:张辉群 

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