5 最优化-二次规划解析
二次规划问题
二次规划问题二次规划问题（quadratic programming）的标准形式为：sub.to其中，H、A、Aeq为矩阵，f、b、beq、lb、ub、x为向量其它形式的二次规划问题都可转化为标准形式。
MATLAB5.x版中的qp函数已被6.0版中的函数quadprog取代。
函数 quadprog格式 x = quadprog(H,f,A,b) %其中H,f,A,b为标准形中的参数，x为目标函数的最小值。
x = quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq) %Aeq,beq满足等约束条件。
x = quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub) % lb,ub分别为解x的下界与上界。
x = quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0) %x0为设置的初值x = quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0,options) % options为指定的优化参数[x,fval] = quadprog(…) %fval为目标函数最优值[x,fval,exitfla g] = quadprog(…) % exitflag与线性规划中参数意义相同[x,fval,exitflag,output] = quadprog(…) % output与线性规划中参数意义相同[x,fval,exitflag,output,lambda] = quadprog(…) % lambda与线性规划中参数意义相同例5-8 求解下面二次规划问题sub.to解：则，，在MA TLAB中实现如下：>>H = [1 -1; -1 2] ;>>f = [-2; -6];>>A = [1 1; -1 2; 2 1];>>b = [2; 2; 3];>>lb = zeros(2,1);>>[x,fval,exitflag,output,lambda] = quadprog(H,f,A,b,[ ],[ ],lb)结果为：x = %最优解0.66671.3333fval = %最优值-8.2222exitflag = %收敛1output =iterations: 3algorithm: 'medium-scale: active-set'firstorderopt: [ ]cgiterations: [ ]lambda =lower: [2x1 double]upper: [2x1 double]eqlin: [0x1 double]ineqlin: [3x1 double]>> lambda.ineqlinans =3.11110.4444>> lambda.lowerans =说明第1、2个约束条件有效，其余无效。
matlab5二次规划问题
二次规划的标准形式为：min (1/2)X’HX+f’X约束条件：Ax≤b Aeqx=beq，lb≤x≤ub，其中：f、b、beq、lb、ub、x是矢量，H、 A、Aeq为矩阵。
在MATLAB中可以使用quadprog函数来求最小值。
调用格式:x=quadprog (H,f,A,b)x=quadprog (H,f,A,b,Aeq,beq)x=quadprog (H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub)x=quadprog (H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0)x=quadprog (H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0,options) x=quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0,options,P1,P2,…) [x,fval]= quadprog (…)[x,fval,exitflag]= quadprog (…)[x,fval,exitflag,output]= quadprog (…)[x,fval,exitflag,output,lambda]= quadprog (…) fval为目标函数的最优值；其中：H,f,A,b为标准形中的参数，x为目标函数的最小值；x0为初值；Aeq,beq 满足等式约束Aeq.x=beq；lb,ub满足lb lambda是Lagrange乘数，它体现有效约束的个数；output输出优化信息；exitflag为终止迭代的条件：若exitflag>0，表示函数收敛于解x；若exitflag=0,表示超过函数估值或迭代的最大次数；exitflag<0表示函数不收敛于解x；output为优化信息：若参数output=iterations表示迭代次数，output=funccount表示函数赋值次数，output=algorithm表示所使用的算法。
例0-6 计算下面二次规划问题minf（x）= (1/2)x1^2+x2^2- x1x2-2x1-6x2约束条件： x1+x2≤2-x1+x2≤2，2x1+x2≤3；x1≤0； x2≤0解：把二次规划问题写成标准形式：(1/2)XTHX+fTX 这里：H= 1 -1 f= -2 X= x1-1 2 -6 x2在命令窗口键入命令：>>H=[1 –1;-1 2];>>f=[-2;-6];>>A=[1 1;-1 2;2 1];>>b=[2;2;3];>>lb=[zeros(2,1)];>>[x,fval,exitflag,output,lambda]=quadprog(H,f,A,b,[],[],lb)运行以上命令得到的显示结果如下：x= %最优值点 §3 二次规划模型 数学模型： ub x lb beq x Aeqbx A x f Hx x T T x ≤≤=⋅≤⋅+21min其中H 为二次型矩阵，A 、Aeq 分别为不等式约束与等式约束系数矩阵，f,b,beq,lb,ub,x 为向量。
最优化方法 第六章 二次规划
一．不等式约束二次规划的有效集方法
1. 基本思想
对于存在不等式约束的二次规划，在每次的迭代中，以 已知的可行点为起点，把在该点起作用的约束作为等式约束， 将不起作用约束去掉，在此等式约束下极小化目标函数， 求 得新的比较好的可行点以后，重复以上做法.
通过解一系列等式约束的二次规划来实现不等式约束的 优化.
集合为w(x) E I x ，则 x也必是问题
min 1 xTGx d T x
2
(3)
s.t. aiT x bi , i E I x
的局部极小点.
反之，如果 x是(1)的可行点，且是问题(3)的 K-T 点，而且
相应的 Lagrange 乘子满足
i 0, i I x
(4)
则 x也是原问题(1)的 K-T 点.
称为有效集方法或者起作用集方法.
一般二次规划标准形式
min q(x) 1 xTGx d T x, 2
s.t. aiT x bi , i E,
(1)
aiT x bi , i I.
其中G是nn的对称矩阵.E,I 分别对应等式约束和
不等式约束指标集合.d, x,and ai,i E I 都是n维向量.
s.t
x1 2x2 x3 4 0
x1 x2 x3 2 0
解：
2
G 2
2
b
4 2
1 1 A 2 1
1 1
rA 2
2 0
0
2
0 1 1 x1 0
0
2
1
x2
0
0
1
0 2
2 1
1 0
1
0
x3
1
0 4
二次规划算法在实现最优控制中的应用分析
二次规划算法在实现最优控制中的应用分析随着科技的不断发展，最优控制问题已成为控制和优化领域中的热门话题。
在实际应用中，最优控制可以被用于调节自动控制器、实现运动规划、优化电力等多种控制问题中。
而其中的二次规划算法则成为了最常用的实现方式之一。
本文将对于二次规划算法在实现最优控制中的研究进展和应用进行分析。
1. 什么是二次规划算法首先，我们需要了解二次规划算法。
二次规划是指求解如下形式的最优化问题：$\min_{x}{\frac{1}{2}x^TQx + c^Tx}$$Ax\ \leq b$其中Q是正半定矩阵，c是列向量，A是矩阵，b是列向量。
这个问题可以被称为二次规划问题。
它的解通常被称为问题的最优解，即$x^*$。
其中，$\min$代表最小值，再加上$Ax\ \leq b$的限制条件，即可得到二次规划问题。
2. 二次规划在最优控制中的应用二次规划算法在最优控制中是一个非常重要的问题，因为很多最优控制问题都可以被抽象为一个二次规划问题。
比如在运动规划问题中，我们需要寻找机器人的最优轨迹来实现控制的效果。
而这个问题可以被转化为一个二次规划问题，通过求解该问题来得到最优解。
因此，二次规划算法在机器人控制中有着广泛的应用。
此外，在电力控制领域中，二次规划算法也有很大的作用。
比如，在电网中，我们需要寻找最优的发电计划和消耗计划来保证系统安全和经济效益。
这个问题同样是一个优化问题，可以被抽象为一个二次规划问题。
通过求解二次规划问题，我们可以得到系统的最优解，从而实现电力控制的目的。
3. 基于二次规划算法实现最优控制的实例为了更好地理解二次规划在最优控制中的应用，我们可以看一下以下实例：假设有一个双轮差分式机器人，需要在一条平面上从起点到终点。
我们可以把这个运动规划问题抽象为一个最优化问题。
通过使用二次规划算法，我们可以求解出最优的轨迹，以实现机器人在最短时间内到达终点。
在这个实例中，我们将机器人的运动轨迹表示为一个函数f(x)，其中x是机器人的状态。
(完整版)机械优化设计习题参考答案孙靖民第四版机械优化设计
2.黄金分割法（0.618法）
原理：提高搜索效率：1）每次只插一个值，利用一个前次的插值；2）每次的缩短率λ相同。左右对称。
程序：p52
（四）插值方法
1.抛物线法
原理：任意插3点：
算得： ； ；
要求：
设函数 用经过3点的抛物线 代替，有
解线代数方程
解得：
程序框图p57
网格法 ，缩小区间，继续搜索。
Monte Carlo方法 ， ，随机数。
比较各次得到的 得解
遗传算法(专题)
（二）区间消去法（凸函数）
1.搜索区间的确定：高—低--高（ ）则区间内有极值。
2.区间消去法原理：在区间[a, b]内插两个点a1, b1保留有极值点区间，消去多余区间。
缩短率：
（三）0.618法
可行方向—约束允许的、函数减小的方向。（图）约束边界的切线与函数等高线的切线方向形成的区域。
数学模型
用内点法或混合法，取 ，
直接方法
（一）随机方向法
1.在可行域产生一个初始点 ，因 （约束），则
--（0，1）的随机数。
2.找k个随机方向，每个方向有n个方向余弦，要产生kn个随机数 ， ， ，随机方向的单位向量为
3.取一试验步长 ，计算每个方向的最优点
4.找出可行域中的最好点 得搜索方向 。以 为起点， 为搜索方向得 。最优点必须在可行域内或边界上，为此要逐步增加步长。
得
穷举下去得递推公式
3.算例
p73
4.框图p72
5.特点
作业：1. 2.
（六）变尺度法
1.引言
坐标变换
二次函数
令 为尺度变换矩阵
求解二次规划问题的拉格朗日及有效集方法
求解⼆次规划问题的拉格朗⽇及有效集⽅法求解⼆次规划问题的拉格朗⽇及有效集⽅法——最优化⽅法课程实验报告学院：数学与统计学院班级：硕2041班姓名：王彭学号：3112054028指导教师：阮⼩娥同组⼈：钱东东求解⼆次规划问题的拉格朗⽇及有效集⽅法求解⼆次规划问题的拉格朗⽇及有效集⽅法摘要⼆次规划师⾮线性优化中的⼀种特殊情形，它的⽬标函数是⼆次实函数，约束函数都是线性函数。
由于⼆次规划⽐较简单，便于求解（仅次于线性规划），并且⼀些⾮线性优化问题可以转化为求解⼀些列的⼆次规划问题，因此⼆次规划的求解⽅法较早引起⼈们的重视，称为求解⾮线性优化的⼀个重要途径。
⼆次规划的算法较多，本⽂仅介绍求解等式约束凸⼆尺规划的拉格朗⽇⽅法以及求解⼀般约束凸⼆次规划的有效集⽅法。
关键字：⼆次规划，拉格朗⽇⽅法，有效集⽅法。
- 1 -《最优化⽅法》课程实验报告- 2 - 【⽬录】摘要........................................................................................................................... - 1 -1 等式约束凸⼆次规划的解法............................................................................... - 3 -1.1 问题描述.................................................................................................... - 3 -1.2 拉格朗⽇⽅法求解等式约束⼆次规划问题............................................ - 3 -1.2.1 拉格朗⽇⽅法的推导...................................................................... - 3 -1.2.2 拉格朗⽇⽅法的应⽤...................................................................... - 4 -2 ⼀般凸⼆次规划问题的解法............................................................................... - 5 -2.1 问题描述.................................................................................................... - 5 -2.2 有效集法求解⼀般凸⼆次规划问题........................................................ - 6 -2.2.1 有效集⽅法的理论推导.................................................................. - 6 -2.2.2 有效集⽅法的算法步骤.................................................................. - 9 -2.2.3 有效集⽅法的应⽤........................................................................ - 10 -3 总结与体会......................................................................................................... - 11 -4.2 有效集⽅法的Matlab程序 .................................................................... - 11 -求解⼆次规划问题的拉格朗⽇及有效集⽅法- 3 -1 等式约束凸⼆次规划的解法1.1 问题描述我们考虑如下的⼆次规划问题=+b Ax t s x c Hx x T T ..,21min (1.1) 其中n n R H ?∈对称正定，n m R A ?∈⾏满秩，n R x c,∈，m R b ∈。
二次规划问题
9.2.4 二次规划问题9.2.4.1 基本数学原理如果某非线性规划的目标函数为自变量的二次函数，约束条件全是线性函数，就称这种规划为二次规划。
其数学模型为：其中，H, A,和Aeq为矩阵,f, b, beq, lb, ub,和x为向量。
9.2.4.2 相关函数介绍quadprog函数功能：求解二次规划问题。
语法：x = quadprog(H,f,A,b)x = quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub)x = quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0)x = quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq,lb,ub,x0,options)[x,fval] = quadprog(...)[x,fval,exitflag] = quadprog(...)[x,fval,exitflag,output] = quadprog(...)[x,fval,exitflag,output,lambda] = quadprog(...)描述：x = quadprog(H,f,A,b) 返回向量x，最小化函数1/2*x'*H*x + f'*x ，其约束条件为A*x <= b。
x = quadprog(H,f,A,b,Aeq,beq)仍然求解上面的问题，但添加了等式约束条件Aeq*x = beq。
x = quadprog(H,f,A,b,lb,ub)定义设计变量的下界lb和上界ub，使得lb <= x <= ub。
x = quadprog(H,f,A,b,lb,ub,x0)同上，并设置初值x0。
x = quadprog(H,f,A,b,lb,ub,x0,options)根据options参数指定的优化参数进行最小化。
[x,fval] = quadprog(...)返回解x处的目标函数值fval = 0.5*x'*H*x + f'*x。
最优化二次规划
关于(1问 .4 1)的 题 KK 系 T统解,的 有存 下在 面 :性 的
定理11.1.1设矩阵A行满秩,若二阶充分条件成 ,则立 线性方程(组 .)的系数矩阵
QA
AT
非奇异,因此线性方程(组.)有惟一解 .
证明：为证明系 非数 奇,矩 异 只阵 需证明齐次线 组性
QA
AT
dv
仅有零. 解
如果 iAk,aiTxk1bi,则 Ak1Ak {i}
为计算可 dk,我 行们 方修 向 (1改 .11如 0 问 ) 下 题
令 d x-x k,即 x x k d代入 (1.1 1问 得 0)题 到 ,
minf(x)1 2dTQ df(xk)Td s.t.aiTd0,iAk
(11.11)
设 (1.11)1的解 dk,容 为易,x看 k是出 问 (1.11 题 )0的解等 于 dk 0是问 (1.1 题 1)1的.解 因此1定 1.等 2理 .1价于下 面的定理：
由于 x*是 KK点 T,故存在 *,乘 使子 得
Q*xqAT*
所以 f(x ) f(x * )* T A d
因此, x*是全局最优.解
注 意D ： ,当 但 二 阶 条 件 ZTQ 不 不 Z成 正立 ,定 则或 时
问(题 .)无解或有 . 无界解 (1) 若ZTQZ不定 ,即有负特,存 征在 u值 0,使得
唯一解.
利用H 投 es影 矩 sia,阵 定 n 1理 .1 1.1可以等价 : 描述
定1理 .1.2设矩 A行 阵满 ,若 秩 二次规 (1.1 4划 )的问 投 影 Hes矩 siaZ 阵 T nQ正 Z ,定 则线性(1方 .1 5)有 程惟 组.一
众所,周 由知 于二次规数 划是 的线 约 ,故 性 束 AC的 函 Q 成,立 从而二次规必 划定 的 K是 最 K点 T.优 反解 ,之 在 一定条 , K 件 K点 下 T也必定是: 其最优解
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其KKT条件为 f (x) AT 0, 或 Ax b 0 (5.5) Q AT x q 0 b A
这里 f ( x ) Qx q, Q半正定 L( x, ) f ( x ) Q
(5.6)
即方程组(5.6)只有零解,故系数矩阵非奇异,故(5.5)有
利用投影Hessian矩阵,定理5.1.1可以等价描述为:
定理5.1.2 设矩阵A行满秩,若二次规划问题(5.4)的投 影Hessian矩阵Z T QZ 正定,则线性方程组(5.5)有惟一解.
众所周知, 由于二次规划的约束函数是线性的, 故ACQ 成立, 从而二次规划的最优解必定是KKT点. 反之, 在 一定条件下, KKT点也必定是其最优解 :
第五章 二次规划
二次规划是最简单的非线性规划问题
二次规划一般形式：
1 T min f (x) x Qx qT x 2 s.t. aiT x bi 0, i I {1, 2, , m1} aiT x bi 0, i E {m1 1, m1 2,
n
(5.1) , m}
(5.2)
λ (a x bi ) 0, i I
* i T i *
T T a1 b1 a m1 1 bm1 1 T T a2 b2 a m1 2 bm1 2 记 AI , AE , bI , bE T T a bm am b m m 1 1 AI A A E 则(5.2)可以写成向量形式：
定理5.1.3 设矩阵A行满秩, 若二次规划问题(5.4) 的投 影Hessian矩阵Z T QZ 正定(或二阶充分条件成立),则线性 方程组(5.5)的惟一解是问题(5.4)的惟一全局最优解.
定理5.1.3 设矩阵A行满秩, 若二次规划问题(5.4) 的投 影Hessian矩阵Z T QZ 正定(或二阶充分条件成立),则线性 方程组(5.5)的惟一解是问题(5.4)的惟一全局最优解.
其中n阶矩阵Q对称半正定, ai R , q, bi R
设x 是问题(5.1)的最优解 存在Lagrange乘子 *满足: f (x )
* iE I
*
Hale Waihona Puke λ a 0* i i
aiT x* bi 0, i E a x bi 0, λ 0,
T i * * i
从而二阶充分条件等价于 y T Z T QZy d T Qd 0, 0 y R n-m 即矩阵Z T QZ 正定.
我们称Z T QZ 为等式二次规划问题(5.4)的投影Hessian 矩阵或既约Hessian矩阵
关于问题(5.4)的KKT系统解的存在性,有下面的结论:
定理5.1.1 设矩阵A行满秩,若二阶充分条件成立,则 线性方程组(5.5)的系数矩阵 Q AT 0 A 非奇异,因此线性方程组(5.5)有惟一解.
f (x* ) AT * 0 AE x* bE 0 AI x* bI 0,I 0,I*T (AI x* bI ) 0 (5.3)
当只有等式约束时,(5.3)是一线性方程组.
第一节 等式约束二次规划
考虑凸二次规划
min s.t. 1 T f (x) x Qx qT x 2 Ax b (5.4)
T *T * T f ( x ) f ( x ) x Qx q x x Qx qT x* ( x x * )T Q ( x x * )
证明：在定理条件下,由定理5.1.1或定理5.1.2知,问题 因此, 我们只需证明KKT点x*就是其全局最优解.
(5.4)有惟一的KKT点x* ,问题(5.4)的最优解必定是其KKT点,
设可行域 : D {x R n | Ax b}. 对于任意的x D且x x * , 令 d x - x * , 则 d 0 且 Ad 0 由二阶充分条件知：d T Qd 0.
x
由于 LFD( x, D) {d R n | Ad } S ( x, ) LFD（x, D) 二阶充分条件为 :
d T Qd d T d 满足 Ad x L( x, )d ,
假定A行满秩即 r ( A) m, 则齐次线性方程组Ad 0的 解空间( A的核空间)的维数为n - m. 设解空间的一组正 交基础解系为 : z1 , z 2 , , z n-m , 并令 Z ( z1 , z 2 , , z n-m ) R n( n-m ) 则对任意的d R n : Ad 0, 存在向量 y ( y1 , y 2 , , y n-m ) T R n-m 使得 d Zy y1z 1 y 2 z 2 y n-m z n-m
证明：为证明系数矩阵非奇异,只需证明齐次线性方程组 Q AT d 0 0 v 0 A 仅有零解. 设(d ,v)是(5.6)的解,则
Qd -AT v 0, Ad 0 即有 d T Qd d T AT v (Ad )T v 0 AT v v1a1 v2 a2 vm am Qd 0 ,am线性无关,从而得v 0. 由二阶充分条件得 d 0,然后推出 由于A满秩,即向量组a1 ,a2 , 唯一解.