Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Metody_optimizatsii

.pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
21.05.2015
Размер:
970.29 Кб
Скачать

 

*

 

 

23

точка

x b []a, ,

в которой функц и я дости гает глобального ми -

 

 

0

0

 

ни мума на

a0

b0 [], при,

чем слева от этой точки функц и я не возрастает, а

справанеубы вает.

Замети м, что в данном определени и не предполагается ни гладкость, ни непреры вность функц и и . При ведем некоторы е графи чески е и ллю страц и и уни модальны х функц и й

a 0 b0 a 0 b0 a0 b0

Ч и сленны е методы одномерной ми ни ми зац и и

бази рую тся на вы чи слени и

конечного чи сла значени й функц и и

f (x)

и

ее прои зводны х в некоторы х

точках

отрезка

 

=

L0 b0 []a. 0 ,М етоды ,

 

и спользую щ и е

только

значени я

функц и и

и

не

требую щ и е

вы чи слени я

ее

прои зводны х,

 

назы ваю тся

методами ми ни ми зац и и нулевого порядка. М

етоды , и спользую щ и езначени я

прои зводны х делятся на методы

первого,

второго и

т.д.

 

порядков в

зави си мости оттого, прои зводны екакого порядкаони и спользую т.

 

 

Сущ ествую т две при нц и пи ально

разли чны е стратеги и

вы бора точек,

в

которы х осущ ествляю тся вы чи слени я. Е сли

всеточки задаю тся заранее,

до

началавы чи слени й,

- это пасси вная стратеги я. Е сли

всеточки

вы би раю тся

последовательно

в

проц ессе пои ска с учетом результатов

 

преды дущ и х

вы чи слени й,

-

это

последовательная

стратеги я.

При мером

реали зац и и

пасси вной стратеги и является метод перебораи ли равномерного пои ска.

 

 

 

 

 

 

 

М ето дпер ебо р а

 

 

 

 

 

 

 

 

М

етод

перебора

является

простейш и м

и з

методов

ми ни ми зац и и

нулевого

 

порядка.

В начале

 

задается

 

начальны й

 

промежуток

неопределенности

=

L0 b0 []a0и,

коли чество

вы чи слени й

функц и и

N .

В ы чи слени я прои зводятся в N равноотстоящ и х друг от друга точках, при

этом промежуток с

=

L0 b0 []a0дели,

тся на

N + 1

равны х промежутков).

Путем сравнени я вели чи н

 

=

 

 

(находиi ), f xтся точка xk ,

в которой

i

, 1N

значени е

функц и и

наи меньш ее.

И скомая

точка

ми ни мума

счи тается

заклю ченной впромежутке xk −1 xk +1 ][.

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А лго р итм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг 1. Задать начальны й промежу-

24

 

 

 

 

 

 

 

 

=

L0 b0 []a, 0 ,

ток неопределенности

 

N - коли чество вы чи слени й функц и и .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(b

a

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0 + ix

 

 

,i = , 1N , равностоящ и едруг от

Ш аг2. В ы чи сли тьточки

i

 

0 a

0

 

 

друга.

 

 

 

 

 

 

 

 

N + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

в N

 

 

 

 

 

 

Ш аг 3.

 

В ы чи сли ть

значени я функц и и

найденны х

точках:

 

 

=

 

. ( i ), f x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

, 1N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг 4. Среди точек i

,=

 

xнайтi и такую , в которой функц и я при ни мает

, 1N

наи меньш еезначени е:

k

=

 

 

xi )f. (

fminx (

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1≤iN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг 5. Т очками ни мума x*

при надлежи тпромежутку:

*

−1

+1

][ = L ,

,

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

накотором в качестве при бли женного реш ени я можетбы тьвы бранаточка

x* = xk .

В результате при менени я алгори тма равномерного пои ска, после N вы чи слени й функц и и характери сти касужени я первоначального промежутка

неопределенности равна R(N) =

 

2

 

. Поэтому если и значально задана

N + 1

 

 

требуемая вели чи на R(N), то

требуемое для данного сокращ ени я

промежутканеопределенности чи сло вы чи слени й функц и и определяется как

наи меньш еец елоечи сло, удовлетворяю щ ееуслови ю N ³

2

-1.

 

 

 

R(N)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П р имер 1. Н айти ми ни мум функц и и

 

 

=

 

2

− 12x методом2(x ) fпереборx а.

Реш ени е. В оспользуемся алгори тмом перебора.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

В

качестве

начального

 

промежутка

 

неопределенности

 

возьмем

 

промежуток

=

L0 b0

a=0

 

 

].

10Задади, 0[

м[]

N, = 9 так,

чтобы

L0

содержал

 

N + 1 = 10 равны х промежутков.

 

 

 

 

 

 

 

) 0

(10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

О предели м точки вы чи слени я функц и и :

i

=

0 +

 

 

 

=

i,

= i9, 1.x

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (1) = −10,

3.

В ы чи сли м

значени я

функц и и

 

в

полученны х

точках:

 

f (2) = −16 ,

f (3) = −18,

 

f (4) = −16 ,

f (5) = −10,

f (6) = 0 ,

f (7) = 14 ,

 

f (8) = 32 ,

f (9) = 54.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

В

точке x3 = 3 функц и я при ни маетнаи меньш еезначени е: f

x3

= −18. ( )

5.

И скомая

точка ми ни мума

после

девяти

вы чи слени й

при надлежи т

 

промежутку:

x*

],4,[в2

котором

вы би рается точка x* = x3 = 3 . При

 

этом характери сти каотноси тельного уменьш ени я начального промежутка

 

неопределенности

R(N) =

 

2

 

=

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9 + 1

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx k x

i

М ето ды со кр а щ ения пр о межутко в

Рассмотри м

далее при меры

методов,

которы е реали зую т

последовательную

стратеги ю . В

основе данны х методов лежи т

 

25

 

последовательное

сокращ ени е промежутка

неопределенности .

Сокращ ени е промежутка неопределенности прои зводи тся в больш и нстве методов на основе вы чи слени я функц и и в точках текущ его промежутка.

Д анны е точки разби ваю т промежуток неопределенности

на несколько

частей. Свойство уни модальности

функц и и позволяет наосновевы чи слени я

функц и и в прои звольны х двух

точках, при надлежащ и х

промежутку,

определи ть, каки м и з полученны х отрезков точками ни муманепри надлежи т. Д ействи тельно, поскольку уни модальная функц и я напромежутке a x* ] [не,

возрастает, анапромежутке x* b[ ] н, е убы вает, то если вы брать две точки y, z Î[a, b], y < z и для эти х точек f ( y) ³ f (z) , то это может бы ть ли бо си туац и я, и зображенная на ри сунке 9 и ли ри сунке 9, и в том и в другом

случае

* x

b[]y. ,Случаю же

f ( y) £ f (z)

может соответствовать только

си туац и и , и зображенны е на ри сунках 8, 10,

и

поэтому в данном

случае

* x

z][.a,

Рассмотренны е ни же несколько

методов

последовательной

одномерной

ми ни ми зац и и

отли чаю тся

способом

вы бора

точек

y, z Î[a, b], y < z . При этом разли чны еспособы

вы бораточек при водятк

разной скорости сокращ ени я промежутканеопределенности и кразли чному чи слу необходи мы х вы чи слени й функц и и .

f f

 

 

 

x* z b

 

 

 

x*

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

y

x

a

y

z

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ри с. 7

Ри с. 8

f

f

26

a

 

y

z x*

b

x

a

 

x* y z

b

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ри с.9

Ри с. 10

Мето дделения пр о межутка по по ла м

Метод делени я промежутка пополам относи тся к последовательны м

стратеги ям и позволяети склю чи тьи з дальнейш его рассмотрени я накаждой

и терац и и

полови ну

текущ его

промежутка

неопределенности .

Работа

алгори тма

заканчи вается,

когда дли на

текущ его

промежутка

неопределенности оказы вается неболеенекоторой вели чи ны

ε > 0 ,

которую

назы ваю т требуемой

точностью .

М етод при надлежи т к методам нулевого

порядка. Н а каждой

и терац и и

сравни ваю тся значени я функц и и

в трех

пробны х точках, равномерно распределенны х на текущ ем промежутке, т.е. делящ и х его начеты реравны ечасти .

А лго р итм

Ш аг1. Задатьначальны й промежутокнеопределенности ε > 0 - требуемую точность. Положи тьk = 0 .

Ш аг2. В ы чи сли ть: xkc =

ak + bk

,

 

2

 

= − , (xkcf).

 

 

 

2

 

 

 

 

 

= L0 b0 []aи0 ,

Lak bk

 

Ш аг3. В ы чи сли ть:

 

yk

= ak +

 

 

L2k

 

 

,

zk = bk

 

 

 

L2k

 

 

, f ( yk ) ,

 

 

f (zk ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

Ш аг4. Сравни тьзначени я

 

 

 

 

 

 

f (xkc ):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ( yk ) и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

если

 

 

(

 

k

) <

 

(xcf),

иf склюy чи ть промежуток (xc ,b

k

],

положи в

 

 

 

kc ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

k +1 =

k +1 = ak .

 

Среднейba x точкой нового промежуткастанови тся точка

yk :

xkc+1 = yk . Перейти кш агу 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б) если

 

(

k

) ³

(xcf), перейтиf y

кш агу 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

f (xkc ):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг5. Сравни ть f (zk )

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

если

 

(

k ) <

 

(xkcf),

fи склюz

 

 

чи ть промежуток

 

[ak , xkc )

 

положи в

k +1 =

kc ,

k +1 = bk .

 

Среднейa b x точкой нового промежутка станови тся точка

zk

:

xkc+1 = zk . Перейти кш агу 6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б)

если

 

(

k

) ³

 

 

(xcf),

иfсклюz

чи тьпромежутки [

 

 

 

 

) (

 

 

 

, b

k

]z, aположиy

в

 

 

=

 

 

= z

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k k k

 

 

+1

,

+1

k

.

 

Средняяa b y

точка нового

промежутка не и змени тся

 

 

 

 

 

 

 

 

k k

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xkc+1 = xkc .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£ ε ,

 

 

 

 

Ш аг 6.

В ы чи сли ть

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

L- a

. bЕ сли

 

 

L

)1k +2()1

 

 

алгори тм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kk++1

 

 

 

 

k +1

 

 

 

 

2(

 

 

 

 

 

 

заверш ает свою

 

 

работу, и

делается

вы вод,

что x* L

k +

,

а в качестве

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)1 2(

 

 

 

 

 

при бли женного

 

реш ени я

 

можно,

 

 

 

напри мер,

взять

 

середи ну

данного

положи м

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> ε

27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

промежутка.

Е сли же

 

L

 

 

 

 

, то положи ть k = k + 1

и

перейти

к

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k + )1 2(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ш агу 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следует замети ть,

что

 

для

данного

метода на каждой

и терац и и ,

начи ная со второй,

вы чи сляется значени ефункц и и только в двух точках, так

как средняя точка нового промежутка всегда совпадает с одной и з точек

рассматри ваемы х

на преды дущ ей и терац и и .

 

Т аки м образом,

для данного

метода R(N ) =

1

 

 

, где N -

коли чество вы чи слени й функц и и . Н умерац и я

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

промежутков неопределенности подчерки вает тот факт,

что

на каждой

и терац и и вы чи сляется двазначени я функц и и .

 

 

 

 

=

 

2

− 12x

 

 

 

 

П р имер

2.

 

Н айти

ми ни мум

функц и и

 

 

 

 

 

методом2(x ) f x

делени я промежуткапополам.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реш ени е. В

 

 

качестве

 

 

начального

промежутка неопределенности

рассмотри м промежуток

 

 

 

 

 

=

 

L0 b0

a=0

]

10 ,положи0[ []

м,

ε = 1.

 

 

 

1. Положи м k = 0 .

 

0 + 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(xcf)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. В ы чи сли м:

 

c =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

−10= .= L

 

=,

10

5,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

== 5,+2,z0

 

 

10

= 75,−,

 

 

 

y0 = −

 

3. В ы чи сли м

 

 

 

 

y0

0

 

 

 

 

10

 

 

 

f

5, , 17 ( )

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

f

 

z0

=

5,. 22(

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

(

 

) <

c

 

 

 

 

 

 

 

 

положи м

 

 

 

 

 

x

c

= b5

 

c

 

 

 

0

(x f), поэтомуf y

 

 

 

 

 

0

,a=x = =a y0=, = 2,5 .

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1 1

0

0

 

5. Получи м L2 =

 

 

 

L2

 

=

 

> ε = 1. Положи5

м k =],1 ,5и[0перейдем кш агу 3.

 

 

 

 

 

6. В ы чи сли м

y

1

0

5

= +, z251, 5

 

 

 

 

4

1

f z1 = −

875. ,

 

 

 

16 (

)

 

7.( 1 ) > (x1cf), поэтомуf y перейдем кш агу 5.

8. ( 1 ) > (x1cf), f zпоэтому

5

= 753− ,

f y = − 875, , 11 ( )

 

4

 

1

 

 

a2 = y1 = 251,, b2 = z1 = 753,,

xc

= xc = 2,5 .

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Получи м L4 =

 

L4

 

= ,5 >2 ε . Положи], м75k,=3;225и перейде,[1 м кш агу

 

 

3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После

третьего

 

прохода

алгори тма,

получи м

L8 =

 

 

L8

 

=

< ε = 1. Д ости62гнут, 0а требуема], я43точност, 3; 81 ь,[,2поэтому

 

 

 

алгори тм заканчи ваетсвою

работу с N = 8. Х арактери сти каотноси тельного

сокращ ени я промежутка

R(N) =

 

1

. В качестве реш ени я можно взять

16

 

 

 

средню ю точку последнего промежутка x* = x4c = 125.3,

Мето дзо ло то го сечения

Метод золотого сечени я относи тся к последовательны м методам

нулевого порядка.

В методезолотого сечени я двевнутренни еточки , которы е

и спользую тся для

сокращ ени я промежутка неопределенности , вы би раю тся

28

таки м образом, чтобы одна и з ни х и спользоваласьс той жец елью и на следую щ ем уже сокращ енном промежутке. Т акое прави ло вы бора точек при води тктому, что чи сло вы чи слени й функц и и сокращ ается вдвоеи одна и терац и я требуетрасчетатолько одного нового значени я функц и и . Т аки ми свойствами обладаю тточки , назы ваемы еточками золотого сечени я. Говорят, что точкапрои зводи тзолотое сечени епромежутка, если отнош ени едли ны

всего промежуткакдли небольш ей части равно отнош ени ю

дли н больш ей

части кменьш ей.

 

 

 

 

В методе золотого сечени я на промежутке [a, b]

си мметри чно

относи тельно его конц оввы би раю тся точки y и

z , таки ечто

 

 

b a

=

b y

=

b a

=

z a

 

 

 

b y y a z a b z

 

При этом точка y прои зводи тзолотоесечени епромежутка[a, z], аточка z - промежутка[ y, b].

 

 

 

 

 

 

 

 

А лго р итм

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг1. Задатьначальны й промежутокнеопределенности

L0 b0 []aи0 ,

 

 

 

 

 

 

 

ε > 0 - требуемую

точность. Положи тьk = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

3 -

 

 

(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг

2.

В ы чи сли ть:

=

5

),

 

--y

0

,+ b

0

= a

z

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

3 −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

=

38196 .

0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг3. В ы чи сли ть

k

 

zk f) . f ( y

),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг4. Сравни ть f ( yk )

и f (zk ) :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

 

 

если

k

zk f) ,

(f yо)

положи ть

+1 =

,

+1 = zk ak иbk

ak

 

 

 

=+ b +1 yk+,1 zk +y1k = yk a. kПерейти кш агу 5.

б)

если

 

k

>

z

k

f) ,

fо( y положи)

ть

+1

=

,

+1

= b

k

aи by y

= z

k

,

 

=

+ b

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

k k +1k

 

 

 

+1

. Перейтz и aкш агу 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k+1

 

 

 

k

 

k

 

 

 

 

 

ìk +

k ¹ 0

 

 

1,

 

 

 

Ш аг 5.

В ы чи сли ть

 

 

 

 

 

 

 

 

,

Nk =

 

и

 

 

 

 

 

 

 

+1

kN+1

í

=bL

a-

 

 

провери ть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

LN ≤ ε ,

 

 

 

 

 

î

 

 

k

= 0

 

 

 

2,

 

 

 

услови е окончани я.

Е сли

 

то

проц есс пои ска

заверш ается

и

*

k +1 xbk +1[]a.

В ,качествепри бли женного реш ени я можно взятьсереди ну

последнего промежутка x

*

=

ak +1 + bk +1

 

. Е сли

LN > ε , положи ть k = k + 1 и

 

 

2

 

 

перейти кш агу 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д ля

метода

золотого

сечени я

характери сти ка

относи тельного

уменьш ени я промежутканеопределенности равна R N =

 

 

)

N −1

 

 

 

 

 

 

618, где, N0(( - )

коли чество вы чи слени й функц и и .

 

 

 

 

 

 

127

 

61

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

П р имер 3. Н айти ми ни мум функц и и

( )

 

 

 

4=x + 2

методомx- f x

 

4

 

золотого сечени я.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реш ени е.

В

 

качестве

начального

 

 

 

 

 

 

 

 

 

промежутка

 

 

 

неопределенности возьмем промежуток

 

 

 

 

=

 

L0 b0

 

a=0

 

 

 

],,5 0; 0[положим[] ,

 

 

 

ε = 0,15.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

Положи м k = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

В ы чи сли м

=

+

 

 

 

 

 

a

0

 

 

 

=b

0

191;y , 0 a)

 

 

 

 

 

 

(

 

382 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

+

 

y

0

 

= bz309a.0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

В ы чи сли м

0

=

 

 

 

 

 

z0 f =

 

319. , 0f

 

y)

 

(

 

 

;

 

245

 

,(0

)

 

 

 

 

4.

Т аккак

0 <

z0 f) , т(оf ( y

 

)=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

= z0 = b1309a1; , 0a0

 

 

 

 

 

0;

 

 

 

 

 

=

+

=

 

 

 

 

= y

0

= z 191. , 0b

 

 

 

y

0

 

y

1

 

; a 118 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

Получи м

L2 =

 

 

 

 

 

L2

 

 

=

 

 

 

 

 

 

> ε =

 

15 ., 0

Положи309м

 

,k0= 1

и ];

309

, 0;[

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перейдем кш агу 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

В ы чи сли м

1

=

 

 

 

 

 

z1 f =

 

 

 

245 . , 0f

y)

 

 

(

 

;

 

642

, (0

 

)

 

 

 

 

 

7.

Т ак

как

 

 

1

>

z

1

)f ,

(f yо)

a

2

= y

 

=

 

 

;

 

118b

0=,b =

 

;

309 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

=

=

 

 

=

+

 

 

z

 

= b236a. , 0 z

 

 

 

 

 

y

2

z

 

 

 

;

 

191 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.

Получи м

L2 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L3

 

=

 

 

 

 

 

> ε =

 

15 ., 0Положи м191k =, 02 и

];

309

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

перейдем кш агу 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

В ы чи сли м

2

=

 

 

 

 

 

z2 f =

162 . , 0f

 

y)

 

 

(

 

 

;

 

 

245

,(0

)

 

 

 

 

 

10.

Т ак

как

 

2

>

z

2

f) , (f ( тyо)

 

a

3

= y

2

 

=

 

 

 

;

 

 

191b 0=, b

2

=

 

;

309 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

=

 

 

=

+

 

 

z2 = b3264a3. , 0z3

 

 

 

 

 

y3

 

z2

 

 

 

;

236 0,

 

 

11.

Получи м

L2 =

 

 

 

 

 

 

 

 

L4

 

=

 

 

 

 

 

< ε =

 

 

15 ;, 0

 

* 4 ,118Nx =, 04L. В

];

309 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

качествереш ени я можно взять x* =

 

 

 

 

+

 

309

=, 0250,. 191 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д ля

данного

при мера характери сти ка относи тельного уменьш ени я

 

 

 

начального промежутканеопределенности равнаR N =

 

 

 

 

3 =

 

236 . , 0

)

618

, 0((

 

 

 

 

 

 

М ето дхо р д(секущ их)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М етод хорд относи тся к последовательны м методам первого порядка.

 

 

 

В основе данного метода лежи т следую щ ее обосновани е.

Н еобходи мы м и

 

 

 

достаточны м

услови ем

глобального

 

ми ни мума

 

вы пуклой

непреры вно

 

 

 

ди фференц и руемой функц и и

является равенство

 

f x

= 0(. )Е сли

наконц ах

 

 

 

промежутка[a, b] прои зводная

 

 

 

 

 

 

и меетразны езнаки , т.е.

 

 

 

b

f< 0a, )

((

)

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

то на промежутке найдется точка, в которой

f

 

 

 

обращ ается в нуль, и

 

 

 

 

(x)

 

 

 

 

пои ск точки ми ни мума f (x)

 

на промежутке [a, b] экви валентен реш ени ю

 

 

 

уравнени я

 

 

 

 

 

′ =

 

 

 

 

 

 

b]a. , [x

 

 

,f 0(x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Д ля при бли женного реш ени я данного уравнени я можно и спользоватьметод

 

 

 

хорд. Э тотметод основаннасокращ ени и отрезков путем определени я точки

 

 

 

y пересечени я сосью OX хорды графи кафункц и и

 

f

 

. К оорди нататочки

 

 

 

 

 

(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y определяется по формуле y = a

 

 

 

 

 

 

 

f (a)

 

 

 

(a b) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− ′ b) f( f (a)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

f '

a

y

x*

b

x

О трезок дальнейш его пои ска [a; y]

и ли

[ y;b]

вы би рается в зави си мости

от

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

y

> 0(, т)о вы би рается [a; y] , если f

 

y < 0( -)[ y;b].

 

 

знака f ( y) . Е сли

 

 

 

 

 

 

 

Т аки м

образом,

 

метод и спользуется

при

нали чи и

и нформац и и

об

 

отрезке[a, b] таком, что

 

 

 

 

) > 0 .f

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

) < 0 ,f аa (

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У слови е дости жени я

требуемой

точности

в

данном

алгори тме

 

наклады вается не на дли ну промежутка неопределенности , а на вели чи ну

 

 

f ′(yk )

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А лго р итм

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L0 b0 []a0 ,

 

 

Задатьначальны й промежутокнеопределенности

 

и ε > 0 - требуемую

 

точность. Положи тьk = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг2. В ы чи сли ть y

 

= a

 

 

f ′(ak )

 

(a

b

 

) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

bk )f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

k

 

 

(kf ( a k)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг3. В ы чи сли ть f ′(yk ) .

 

 

 

 

* =

 

 

*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг4. Е сли

 

 

f ′(yk )

 

 

≤ ε , то положи ть

k

 

 

=

yk f)

и (поиx сxf,)к

(y

 

 

 

 

 

 

заверш и ть, и начеперейти кш агу 5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ш аг5. Е сли

 

f ′( yk ) > 0 , то положи ть

=

k

 

 

=

yk )f, и (начb, еf )b( y

положи ть

=

k

 

 

=

 

yk )f. Положи( a, f )aт(ьky = k + 1 и перейти кш агу 2.

 

 

 

 

В данном методемы предполагали , что

b f< 0a. Пр) (и( наруш)

ени и

 

этого услови я точку x*

можно указатьсразу. Т ак, если f a > 0( и)

f b

> 0(,

)

то

f (x)

возрастает на [a, b],

следовательно,

x* = a ,

 

 

если

 

f a < 0(

 

 

f b

< 0(,

)то

f (x)

убы ваетна [a, b], следовательно,

x* = b . В

случае,

если

 

прои зводная равна 0

на одном и з

конц ов отрезка [a, b], то этот конец

и

 

является реш ени ем задачи.

 

 

 

 

 

 

 

) =

4 + ex

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П р имер 4. Н айти ми ни мум функц и и

(

 

методомx f x хорд.

 

 

 

 

Реш ени е. В

 

качестве начального

промежутка

 

 

неопределенности

 

возьмем промежуток

 

=

 

L0 b0

a=0

]1;,0[положи[] ,

м ε = 0,05 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

Провери м услови е f

 

 

f

 

< 0 .1) ( У)(слови0 евы полнено.

 

 

 

2.

Положи м k = 0 .

 

0 =

y

 

y0 f= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

В ы чи сли м точку

 

766 . , 0

)

 

 

(

;

216 0,

 

 

4.

Т аккак

 

f y0

 

 

> ε =

05,, т0о переходи( )

м кш агу 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

Поскольку f

y

 

<(0

положи)

м

=

,

= b

 

,

a

y= −

766 . , 0(

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

1

 

0

 

 

 

6.

При сваи ваем k = 1 и переходи м кш агу 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

В ы чи сли м точку

1 =

y

 

y1

f= −

528 . , 0

 

)

 

(

 

;

352 0,

 

 

8.

Т аккак

 

f y1

 

> ε =

05,,т0о переходи( )

м кш агу 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

Поскольку f

y

 

< (0

положи)

м

=

,

= b ,

 

 

y= −

528 . , 0(

)

 

 

 

fab a

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

1

 

 

 

10.

При сваи ваем k = 2 и переходи м кш агу 2.

 

 

 

 

 

a5 =

b5 = 1.

 

 

 

Н а6-й и терац и и получаем промежуток сконц ами

, 504 0

Н а данном

промежутке метод

генери рует точку

y5 =

516 ,0,в которой

 

f y5

= −

046. , 0А( лгори)

тм заверш ает

работу,

 

поскольку

дости гнута

 

требуемая точность

 

f y5

 

 

< ε =

05 ., 0

(

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мето дНьюто на

Метод Н ью тонаявляется последовательны м методом второго порядка.

Предполагается,

что функц и я

f (x)

дважды

 

 

 

ди фференц и руема, при чем

f ′′ x

> 0( (это)

гаранти руетвы пуклостьфункц и и

 

 

f (x) ). В

этом случаекорень

уравнени я

 

f x

= 0( можно)

при бли женно и скать методом касательны х. В

отли чи е от преды дущ и х методов,

метод Н ью тона не относи тся к методу

сокращ ени я

промежутков.

Д ля

начала работы

 

метода

вместо задани я

начального

промежутка неопределенности

требуется

задани е начальной

точки

x0 ,

в которой вы чи сляется

f ′(x0 )

и

 

f ′′(x0 ) .

В

проц ессе работы

методагенери руется последовательность xk ,

k = 1,2... В

очередной точке xk

строи тся ли нейная аппрокси мац и я функц и и

f

 

 

(касательная к графи ку

(x)

 

 

 

в которой ли нейная аппрокси ми рую щ ая функц и я обращ ается

f (x) ). Т очка,

внуль, и спользуется вкачествеследую щ его при бли жени я xk +1.

 

У равнени е касательной к графи ку

 

 

 

 

в точке xk и меет ви д

 

f (x)

=

+

 

′′

x

) ,xпоэтомуx )(f точка(yx( fx)

 

, найденная и з услови я y = 0 ,

 

 

 

 

 

k k

 

k

 

f ′(xk )

k +1

 

 

 

 

 

 

 

определяется формулой xk +1

= xk

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ′′(xk )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проц едура нахождени я точек xk

продолжается до тех пор, пока не

будетдости гнутатребуемая точность, т.е.

 

f ′(xk )

 

≤ ε .

 

 

 

 

 

 

Алго р итм

Шаг1. Задатьначальную точку x0 , ε > 0 - требуемую точность.

Положи тьk = 0 .

 

Ш аг2.

В ы чи сли ть f ′(xk ) .

 

Ш аг3.

Е сли

 

f ′(xk )

 

≤ ε , то положи ть * = k

* = xk f) и (поиx скxf,) (x

 

 

заверш и ть, и начеперейти кш агу 4.

 

32

f ′(xk )

 

Ш аг4. В ы чи сли ть

xk +1 = xk -

.

 

 

 

f ¢¢(xk )

Ш аг5. Положи тьk = k + 1. Перейти кш агу 2.

Исследовани я методаН ью тонапоказы ваю т, что при достаточно бли зком

кточкеми ни мума x* вы бореначального при бли жени я x0 , гаранти руется

скоростьсходи мости последовательности

xk ,

k = 0,1,... к x*

ви да

 

 

 

 

 

*

 

2k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C > 0 ,

,q),Îи1; 0(C Cq-завиx сят£ x от функц и и

 

f (x)

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вы бора точки

 

 

x0 . Е сли

 

начальное при бли жени е x0

вы брано не достаточно

бли зко

 

к точке x* ,

то последовательность xk , k = 0,1,... метода Н ью тона

может

 

расходи ться.

 

 

В

 

подобны х

случаях

необходи мо

найти

лучш ее

начальное при бли жени е x0 ,

 

напри мер,

с помощ ью

нескольки х

и терац и й

методазолотого сечени я.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

П р имер 5. Н айти ми ни мум функц и и

 

(

)

= + x2 )

-

1 ln( xarctgx

 

 

 

2

методом Н ью тона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реш ени е.

 

 

Д анная

функц и я

 

дважды

ди фференц и руема

и

 

 

¢¢

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + x02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

(x) =

> 0.

В

 

 

качестве начального

при бли жени я

возьмем

точку

 

x0 = 1, положи м ε =10−7 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

В ы чи сли м f x0

=

 

785 . , (0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Поскольку

 

 

f ¢ x0

 

 

 

 

 

> ε =10−7 , т(о перейде) м кш агу 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

В ы чи сли м x

 

 

= x

0

 

 

 

 

 

-

f ′(x0 )

 

= - 570.,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ¢¢(x0 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Положи м k = 1. Перейти кш агу 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

В ы чи сли м f x1

= −

519 ., 0 ( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

Поскольку

 

 

 

f ¢ x1

 

 

> ε =10−7 , т(о перейде) м кш агу 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ′(x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

В ы чи сли м x

2

= x

-

 

1

 

= 117 .0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ¢¢(x1 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.

Положи м k = 2 . Перейти кш агу 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

Поскольку

 

 

f ¢ x2

 

 

> ε =10−7 , т(о перейде) м кш агу 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. В ы чи сли м x3 = x2

 

 

 

 

 

f ′(x2 )

 

 

 

 

−3

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

×10

=.

-061 1,

 

 

 

 

 

 

 

f ¢¢(x2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Положи м k = 3. Перейти кш агу 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. В ы чи сли м f ¢ x3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×10−3=.-061 , 1(

)

 

 

 

 

 

 

13. Поскольку

 

 

 

 

f ¢ x3

 

 

> ε =10−7 , т(о перейде) м кш агу 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14. В ы чи сли м x4 = x3

-

 

f ′(x3 )

= 9 ×10

−8

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ¢¢(x3 )