Свойства выпуклого множества
Классификация и специфика задач математического программирования.
Введение в математическое программирование.
Математическое программирование является одним из способов исследования операций в экономике. Содержание математического программирования составляют теория и методы решения задач о нахождении экстремума функции на некотором множестве. Множества могут определяться как линейными так и не линейными ограничениями. Главная цель задач математического программирования – выбор программ действий, приводящих к наилучшему результату, с точки зрения лица, принимающего решения (ЛПР). Проблема принятия решения в последовательности операции неразрывно связано с проблемами моделирования.
Определение модели.
Модель – это образ изучаемого явления или объекта.
Этапы моделирования.
1. Построение качественной модели, т.е. выделение факторов, которые представляются наиболее важными в установлении закономерности, которым они подчиняются.
2. Построение математической модели. Запись качественной модели в математических терминах.
Математическая модель называется точной если все исходные величины числовых параметров модели являются точными (например, результаты наблюдений). В этом смысле точную модель называют идеальной. Далее будем полагать, что у точной задачи всегда существует точное решение(результаты наблюдений). В реальной ситуации сведения о входных параметрах носят, как правило, приблизительный характер (результаты измерений). В этом случае полученные задачи называются реальными, а их решения – реальными решениями.
Реальное решение может и не существовать.
2 этап. Включает также построение целевой функции, т.е. такой числовой характеристики, большему или меньшему значению которой соответствует лучшая ситуация с точки зрения лица, принимающего решения.
3 этап. Исследование влияния переменных на значения целевой функции, нахождение решения, поставленной задачей.
4 этап. Сопоставление результатов вычисления, полученных на 3 этапе с моделированным объектом , т.е. критерий практики.
Здесь устанавливается степень адекватности модели и моделируемого объекта.
В математическом программировании можно выделить два направления:
· Собственно математическое программирование – детерминированные задачи, когда вся исходная информация полностью определена;
· Стохастическое программирование. К нему относятся задачи, в которых исходная информация содержит неопределённость, либо когда некоторые параметры носят случайный характер с известными вероятностными характеристиками.
В математическом программировании выделяют следующие разделы:
1) Линейное программирование. В этих задачах целевая функция линейна, а множества, на котором исследуется его экстремальное значение задается системой линейных равенств или неравенств. В свою очередь, в линейном программировании существуют классы задач, структура которых позволяет создавать свои специальные методы решения, выгодно отличающиеся от методов общего характера. Например, транспортная задача.
2) Нелинейное программирование. Данная задача и целевая функция и ограничения носят нелинейный характер. Задачи нелинейного программирования принято подразделять на:
a) Выпуклое программирование, когда целевая функция выпукла и выпукло множество, на котором решается задача.
b) Квадратичное программирование, когда целевая функция квадратична, а ограничения линейное равенство или неравенство.
c) Многоэкстремальные задачи. Обычно выделяются специальные классы задач, часто встречающиеся в примечаниях. Например, задача минимизации на выпуклом множестве вогнутых функций.
3) Целочисленное программирование, когда на значения переменных или на значения целевой функции накладывается условие целочисленности.
Специфика задач математического программирования состоит в том, что, во-первых, методы классического анализа для отыскания условных экстремумов неприменимы, т.к. даже в простых задачах экстремумы достигаются в углах многогранника решения, а, следовательно, нарушается дифференцируемость функции.
Во-вторых, в практических задачах число переменных и ограничений столь велико, что если перебирать все точки в экстремальности, то может не хватить ресурсов ЭВМ, поэтому цель математического программирования создание, где возможно, аналитических методов решения, а при отсутствии таких методов – создание эффективных вычислительных способов нахождения принудительного решения.
Элементы выпускного анализа.
Множество Хназывается замкнутым если оно содержит все свои предельные точки
Множество Хназывается ограниченным если существует шар конечного радиуса с центром в любой точке этого множества целиком включающее в себя это множество.
Множество Хназывается выпуклым множеством если на ряду с каждыми точками Х1, Х2 є этому множеству все точки Х равны (1-α)· , где 0≤α≤1 так же принадлежат этому множеству Х. Т.е. если множеству Х, то и отрезок, соединяющий эти точки, тоже множеству Х.
Пример:
Дано множество Ө ={х, у такие, что х+у≤1. Доказать, что данное множество является выпуклым.
0≤α≤1
Пусть взяли две точки ( ) и ( ) Ө (т.е. + ≤1 и + ≤1).
Доказать, что точка
1. Теорема 1
Пересечение выпуклых множеств является выпуклым множеством.
Доказательство:
Пусть Х пересечение множеств и , где и выпуклые множества.
Докажем, что Х выпуклое множество.
Пусть точки и Х. Докажем, что отрезок, соединяющий эти точки, тоже принадлежит множеству Х.
т.к. и Х => и Х1
Х1 выпуклое множество => отрезок [ , ] Х1
т.к. , Х => они Х2
Х2 выпуклое множество.
[ , ] Х2.
Отсюда следует, что отрезок [ , ] Х1∩Х2=Х
Теорема доказана.
2. Теорема 2.
Объединение выпуклых множеств не всегда является выпуклым.
3. Свойство определённости.
Рассмотрим двухмерное пространство, в котором имеется некоторое замкнутое и выпуклое множество Х и некая точка d ( , ), где d Х, тогда найдётся прямая
+ = с такая, что будут выполняться неравенства
Гиперплоскостью в пространстве R называется множество точек x ( которая удовлетворяет равенству