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上海悉尼工商学院

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2023年1月30日发(作者:秋雨)

第36卷第5期

2008年5月

同济大学学报(自然科学版)

JOURNAL OF删GJI UNIVERSITY(NAH眼AI,ScmNCE)

VoI.36 No.5

May 2008

一类带NCP函数的新Lagrangian乘子法

姜爱萍 ,一,濮定国 ,段希波3

(1.同济大学数学系,上海200092;2.上海大学悉尼工商学院,上海201800;

3.山东水利职业学院数学教研室,山东13照276826)

摘要:提出一类带非线性互补问题(NCP)函数的新Lagrangian乘子法,用来解满足等式约束和不等式约束的最优

化问题.此方法以连续可微的罚函数为基础,通过求解一个新的无约束Lagrangian函数得到原问题的解,并且在一

定的条件下还可得到此方法的全局收敛性.

关键词:约束优化问题;非线性互补函数;收敛性

中图分类号:0 221.2 文献标识码:A 文章编号:0253—374X(2008)05—0695—04

A Class of New Lagrangian Multiplier Method with NCP Function

JIANGAiping ,一,PUDingguo DUANXibo。

(1.Depannent of Mathenaaties,Yongji University,Shanghai 200092,China;2.Sydney lnstimte of Language and Commerce,Shanghai University,

hangI1ai 201800,C【lim;3.Teaching andResearchSectionofMathmaatics,InstituteofS ̄m&ngWaterPolytechnic,Rizl' ̄m 276826,Oatna)

Abstract.This paper presents a new Lagrangian Multiplier method with nonlinear complementarity

problem(NCP)function for nonlinear constrained optimization problem.The method is based on a con—

tinuously differentiable penalty function and it Can obtain the solution of the constrained problems by a

single unconstrained minimization of a new lagrangian function.Moreover,the global convergence can

also be abtained under mild conditions.

Key words:constrained optimization;nonlinear complementarity function;convergence

考虑如下的约束非线性优化问题(NLP):

min f(x) ∈R”

S.t.H(x)=0

G( )≤0 (1)

其中厂:R 一R,H(X):(hl( ),h2( ),…,h

( ))T:R 一Rp和G( )=(gl( ),g2( ),…,g7,

( ))T:R”一R 是二次连续可微函数.

定义约束非线性优化问题(NLP)的可行域为

D={ ∈R”{G( )≤0,n(x)=0}(2)

约束问题NLP的Lagrangian乘子函数为

L(x,∞, )=f(x)+∞TH(x)+ TC(x) (3)

其中∞:(cO1, 2,…, )T∈Rp和 =( l, 2,

)T∈R 是乘子向量,为方便起见,用( ,

∞T

, T)T表示列向量.

Karush—Kuhn—Tucker(K~K—T)点( , , )∈

R ×Rp×Rm是满足NLP问题的一阶最优必要条

件的点

( , , )=0,G( )≤0,

H( )=0,.rTG( ):0, ≥0 (4)

收稿13期:2006~10—16

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10771162)

作者简介:姜爱萍(1979一),女,博士生,主要研究方向为最优化理论与方法.E-mail:ap724@126.corn;

濮定国(1948一),男,教授,博士生导师,主要研究方向为非线性规划.E-mail:madpu@mail.tongji.edu.cn

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696 同济大学学报(自然科学版) 第36卷

NLP问题的增广Lagrangian函数为S( ,∞,

,C),其中C为正的参数,当C取某个值的时候,

增广Lagrangian函数的最小值与NLP的解和相应

的乘子为一一对应的.Pillo和Grippo已经证明(见

文献[1—4]),在一定条件下有约束问题的KKT

点、局部极小点、整体极小点和增广的乘子函数S

( ,∞, .C)的平稳点、局部极小点、整体极小点

之间有一一对应的关系,并给出了相关算法的收敛

性.这样有约束问题NLP可以转化为无约束问题来

求解.然而,这些方法用到一个求最大值的函数,这

个函数在无限多个点处可能并不是可微的.

为了克服以上缺点,本文提出一类带线性NCP

函数的增广Lagrangian函数方法来求解带光滑等式

约束和不等式约束的光滑目标函数的最小值,此方

法把原约束问题化为无约束的最优化问题来求解,

且证明原约束问题与转化后的无约束问题之间具有

等价性.这个方法具有全局收敛性,特别地,还构造

出一个函数来调整增广Lagrangian函数中的参数.

1预备知识

给出有关非线性互补问题(NCP)和严格非线性

互补问题(SNCP)的两个定义.

定义1 NCP对和SNCP对

如果满足a>fo,b>fO且ab=0,称(盘,b)∈R2

为NCP对;如果满足(盘,b)为NCP对且a +bz≠

0,称(盘,b)∈R 为SNCP对.

定义2 NCP函数

如果满足 (a,b)=0当且仅当(a,b)是NCP

对,函数 :R2一R称为NCP函数.

线性NCP函数如下定义:

f3盘一盘

J (盘,b)= 3b—bZ/a

【9盘+96

如果b≥a>0,或36>一a≥0,

如果a>b>0或3盘>一b≥0, (5)

如果0≥a且~a≥3b,或b≤一3a≤0.

在除原点以外的地方均为连续可微的,但它在原

点为强半光滑的.I,fl(盘,b)=0当且仅当

fa=0 b>0

_《口>0 b:0 (6)

【口=0 b:0

也就是说, (盘,b)=0当且仅当a≥0,b≥0,

ab=0。

( , ,C)= ((一cg ( )), )1≤i≤

其中C>0为参数,因而 ( , ,C):0当且仅当

fgi( ):0 >0

g ( )<0 f=0 (7)

lg ( )=0 =0

也就是说, ( , ,C):0,当且仅当对任意的c>

0,有gj( )≤0,Ai≥0, ( )=0.

定义 ( , ,C)=( 1( , ,C),…, ( , ,

C))T.显然,式(3)的KKT条件等价于

( , ,C)=0,fI H( )fI=0, 上( ,∞, ):0

定义带线性NCP函数的增广Lagrangian乘子函数

S:R” l—R为

S( ,∞, ,C):f( )+∞TH( )+

c II H( )lJ /2+[1J ( , ,C)一 /3 lJ ~

fI /3 fI /(2c)+fI 正( ,∞, )fI /2 (8)

其中,∞=(∞l,…,COp)T,且 =( 1, 2,…, )T是

Lagrangian乘子,C>0是参数.

给出以下假设:

Al:厂,h ( ),i=1,2,…,P,和g ( ),i:1,

2,…, 是二次Lipschitz连续可微的.

A2:对任意的C>0,{V^ ( ), g ( )l i:1,

2,…,P,J=1,2,…, }在满足 S( ,∞, ,C)=0

的点处是线性无关的.

引理1 如果( ,∞, )是问题NLP的一个

KKT点,那么对任意的C>0均有vS( ,∞, ,C)

=0;如果对某个C>0有 S( ,∞, ,C)=0,

( , ,C)=0, 正( ,∞, ):0成立,贝q( ,∞, )

满足问题NLP的KKT条件;如果对充分大的C,

有 S( ,∞, ,C)=0成立,则( ,∞, )满足问题

NLP的KKT条件.

引理2如果对充分大的C,( ,面, )是S(x,

∞, ,C)的局部极小值,那么 是问题NLP的局部解.

证明如果对充分大的C,( , , )是S( ,

∞, ,C)的局部极小值,那么存在8>0使得对于任

意( ,∞, )∈B ( , , )={( ,∞, )l{l( ,

∞, )一( , , )II≤ },

S( , , ,C)≤S(x,∞, ,C) (9)

上( , , )=0意味着

(VH( ), G( )) ( H( ), G( ))( , )=

一( H( ), G( )) f( ).

对于任意的 ∈D,假设A2意味着存在一个(∞, ),

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第5期 姜爱萍,等:一类带NCP函数的新L ̄4grangian乘子法

(∞, )=~[( H( ), G( ))T(vr1(x),

G( ))r ( ̄TH(x),

G( )) vf( ).

显然, ( ,∞, )=0且当 — 时(∞, )一( ,

).存在一个 l,0< 1≤ ,使得对于任意的 E

( )都有一个( ,∞, )∈ ( , , )且 正( ,∞,

)=0.由引理2,( , , )满足问题NLP的KKT条

件.有 ( )=S( , , ).另一方面,对于任意的;

.( )n D,存在一个(;, , )∈ ( ,岙, )使

得 正(;, , )=0.G(呈)≤0,Il (;, ,C)一I./3

【1 0一【I互/3【I ≤0和H(王)=0意味着

厂( )=S( , , )≤S(;, , ,C)≤,(主)

(10)

在假设A1和假设A2成立的条件下,给出以下假

设:

A3:在每个KKT点( , , )处严格互补条件

成立.

A4:f,h 和g 是三次Lipschitz连续可微的.

定义3如果点( ,A, )满足问题NLP的~

阶KKT条件且对任意的

d∈P( )={d l d Hi( )=0,

i:1,…,P,dT g ( )≤0,i E I(x)},

I( )={ J =1,…, ,g ( )=0}

和d≠0均有

dT L( ,∞, )d>0

成立,则点( ,A, )满足问题NLP的强二阶充分

条件.

A5:在问题NLP的任意KKT点处强二阶充分

条件成立.

引理3假设A2~A5成立,如果( , , )∈

X×P×M是问题NLP的一个KKT点,则对充分

大的C,S( ,∞, ,C)在( , , )处是强凸的.

假设A2 ̄A5成立,则下面的引理4~7成立.

引理4设X×P×M R P 为紧集,假

设( , , )E int(X×P×M)是问题NLP的

KKT点,如果 是问题NLP在紧集x上的唯一全

局最小点,那么对充分大的C,( , , )是S( 。

∞, ,C)在int( ×P×M)上的唯一全局最小点.

证明 因为( , , )E int(X×P×M),假设

A2 ̄A5在它的邻域B ( ,岙, )(==x×P×M成

立,由引理1和引理4的条件可知对充分大的C,存

在 >0,( ,面, )是S( ,∞, ,C)在B ( ,面,

)上的唯一最小值点.如果( ,面, )不是S( ,

∞, ,C)在int(X×P×M)上的唯一全局最小点,

则存在另外一个最小点(呈, , )∈int(X×P×

M)满足S(呈, , ,C)≤S( , , ,C).通过引

理1可知,(呈, , )是问题NLP的KKT点,所以

( )≤ ( );因而 = 且( , )≠(面, ).令

1 1 (∞女, ^)=÷(面,j【)+(1一÷)( , )

那么对充分大的 ,有( ,∞女, )∈B6( , , )且

( , , )是问题NLP的KKT点.所以

S( ,∞女, 女,C)=f( )=S( , , ,C)

则对任意的 >0,( ,面, )不是 上的唯一最小

点,这与上面的结论矛盾,引理4可证.

定义

r( ,∞, ,C)=一C【I s( ,∞, ,C)【1 +

【I L( ,∞, )【I +【I西( , ,C)/C【I

引理5令X×P×MCR P 为一紧集,假

设问题NLP没有KKT点( ,∞, )∈X×P×

M,那么存在一个C >0,使得对任意的C≥C 和

( ,∞, )∈X×P×M,

r( ,∞, ,C)≤0.

引理6令X×P×MCR P 是紧集,假设

( , , )∈int(X×P×M)是问题NLP的KKT

点,则存在C >0和 >0使得对任意的C≥C

和任意的( ,∞, )∈B ( , , ),其中( , ,

)∈X×P×M

r( ,∞, ,C)≤0

引理7令X×P×MCR P 是个紧集,那

么存在一个C >0使得对任意的C≥C 和所有

的( ,∞, )∈X×P×M,

r( ,∞, ,C)≤0

2算法和收敛,陛

算法1

步骤0选择参数C0>0,c>l,0< <1,0

< <1和0<01≤02<1.给出一个初始点 0ER ,

fO0=(o ̄oi, 02,…, 0p)E R 和 0=( 01, 02,…,

)∈R .设置 :0,J=0.

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同济大学学报(自然科学版) 第36卷

步骤1如果 S(Xk,f.Ok, ,C )=0且z.( ,

,∞ ,C )≤0,停止.

步骤2如果z.(Xk, ,∞ , )≥0,那么C 1

:cc ,(XO,2to, o, )=(Xk, ,f.Ok,c ), =J+

1,转步骤1;否则转步骤3.

步骤3 由牛顿迭代(见子算法1.1)获得

( +l,∞ +1, +1)=( , , )+a ,k=k+1,

转步骤1.

子算法1.1牛顿迭代

步骤1.1.1 由牛顿迭代获得 使得

而vS ≤ ,(12) II (

,∞ , ,c I ’

其中 ∈a2 S(Xk,f.Ok, ,c 如果

一(vS( ,国 , ,C,)) d ≥

rain{0,lI vS(x ,∞ , ,C,)lI}

lI d lI lI vS( ,∞ , ,c )lI

那么令d =d ,否则令

d =dt一 VS(Xk,∞ , ,G), (13)

其中 是个正的参数使得

一(vS(x,, , ,c1))Td ≥

rain{0,II vS(x ,∞ , ,c )lI}

lI d lI lI S( ,∞ , ,C )lI (14)

步骤1.1.2现在 >0使得

S( , , ,c )~S(( ,∞ , )+a d ,c,)≥

一min{ l,lI VS(Xk,(Ok, ,c )lI}

a ( S(x ,(Dk, ,C ))Td (15)

}vS((Xk,∞ , )+a ,C )TS }≤

一 2( S(Xk,∞ , ,C ))T (16)

一直取a6:1

步骤1.1.3令( +1,∞ +1, +1)=( ,∞ ,

)+a ,转步骤1.

可以在适当的条件下证明算法1的全局收敛性

(见文献[5—8]).

定理3如果假设A1和假设A2成立,算法1

或者在满足 S( ,∞ , ,C )=0和z.(Xk, ,

∞ ,C )≤0的点( ,(Dk, ,C,)处停止;或者当Cf

达到一定数值时获得一个无穷数列( ,∞ , ,

c 如果( ,∞ , )是(Xk,∞ , ,c )的一个

聚点,那么( ,∞ , )是问题NLP的KKT点.

参考文献:

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IJ

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