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最优化设计
指导老师:包能胜
导 师:程西云
主 讲:张建锋
学 号1. 引言
首先我想阐述下什么叫最优化设计。最优化设计就是在满足所有设计要求的前提下,寻求实际问题的一组设计主参数的值,以使设计问题的某一领域或多项技术经济指标达到最大值或最小值。然后通过数学建模将实际工程问题转化为数学问题,量化分析求解。
前面有同学已经讲过了单纯形法,它实际上是一种线性化问题。因此为了让同学们建立起一个宏观的整体最优化问题与分类。我制作了一个图表如下:
无约束最优化方法
无约束最优化方法
2.数学基础
2.1 方向导数
设 在点 可微,P是给定的非零向量,如
果极限
最优化方法数学基础
现有一向量L,其与x,y轴的夹角分别为cosα,cosβ,
则函数f(x,y)沿L方向导数为:
存在,则称此极限为函数 在 的沿方向P的
方向导数,并记为
最优化方法数学基础
2.2 梯度向量
二元函数梯度表示为(多元函数的梯度依此类推):
最优化方法数学基础
3 函数的泰勒级数展开
在高数里我们学过一维泰勒级数的展开式,这里我们需要用到二维泰勒公式的展开式。
首先我来引进一维泰勒公式。设f(x)在开区间(a,b)内具有直到(n+1)阶的导数,x0是区间(a,b)内一点,x是以x0为中心的某个领域内的点,则f(x)在x0处的泰勒级数展开为:
函数的泰勒级数展开
如果忽略二阶以上的各阶小量,则函数可近似表示为:
f(x)≈f(x0)+f’(x0)Δx+(1/2)f’’(x0)
0(Δx2)
函数的泰勒级数展开
对于n元函数f(x)=f(X1,……Xn),设其在x0点的某一领域内存在连续偏导数,则在这个领域内函数f(x)可展开成泰勒公式为(忽略二阶以上的各阶量):
函数的泰勒级数展开
说明:
函数的泰勒级数展开
G(x0)称为f(x)在点x0处的Hessian(海辛)矩阵,其具有对称性。引入海辛矩阵的目的是为了后面判定最优化极值的时候准备的。其形式如下:
函数的泰勒级数展开
函数的泰勒级数展开
4.迭代算法及其收敛性
一般的说,对于多变量、多约束的最优化问题,我们都采用数值迭代法,即从变量空间的某个初始点出发,在变量空间逐次沿着可使目标函数减少的方向移动。每移动一次,得到一个新点。例如:第K次以后,沿着方向Pk移动可得到新点:
迭代算法及其收敛性
Xk+1=Xk+tkPk
式中 K——移动(迭代次数);
Pk——该次移动的方向,称为步向;
tk——该次沿Pk方向直线移动的距离,称为步长。
迭代算法及其收敛性
迭代算法及其收敛性
迭代算法及其收敛性
5.无约束最优性条件
(无约束极小点的一阶必要性)
设函数f(x)在x0处可微。若x0是f(x)的无约束局部极小点,则必有
无约束的最优性条件
(无约束极小点的二阶必要性)
设函数f(X)二次可微(这里的大写X是代表的多维向量,即X=(x0,x1,……xn)。若X是f(X)的无约束局部极小点,则必有
无约束的最优性条件
无约束的最优性条件
无约束的最优性条件
无约束的最优性条件
无约束的最优性条件
无约束最优性条件
无约束最优性条件
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