最优化方法与最优控制复习文件
《最优化方法》课程复习考试.doc
《最优化方法》复习提要 第一章最优化问题与数学预备知识§1.1模型无约束最优化问题 min /（x ）, x =（旺,兀2,…心）'w R"・A约束最优化问题疋简（兀）》0,心1,2,・・・,加也（兀）=0,丿=1,2,・・・,"） min /（x ）;s.t. gQ ）nO,i = l,2,…，加，hj （x ） = 0,j = \,2,・・・,l ・其中.f （X ）称为目标函数，西,兀2,…，暫称为决策变量，S 称为可行域，gQ ） no （心1,2,…,加）,勺（兀） = 0。
= 1,2,…丿）称为约束条件. §1. 2多元函数的梯度、Hesse 矩阵及Tayloi •公式定义设f:R“TR,J^R“・如果％维向量〃，VAre R n,有+ Ax) -f(x) = p T\x + 0(||Ax||)・则称/（x ）在点元处町微，并称df （x ） = p T\x 为/（x ）在点元处的微分.如果/（X ）在点元处对丁」=（兀“2，・・・,£）丁的各分量的偏导数。
/(元)d x i都存在，则称/（兀）在点元处一阶可导，并称向量为/（兀）在点元处一阶导数或梯度.定理1设f :R n^R,xeR n・如果/（兀）在点元处可微,则/（兀）在点元处梯度V/(x)存在，并且有#(x) = W)7'Ar .定义 设f:R"TR,J^R“・d 是给定的n 维非零向量，e = 2・如杲 dmin /(兀)；即 vS.t. X G S.V/(x)=(df(x)T。
/（可。
/（元）Um /a + 2e ）-V （x ）久TO2存在，则称此极限为/（x ）在点元沿方向d 的方向导数，记作冬学.da定理2设f :R n^R,xeR n.如果/（兀）在点元处可微,则/（兀）在点元处沿任何非零方向d 的方向导数存在，且= VA 元）。
,其中丘=厶~・daa定义 设/（兀）是/?"上的连续函数，xeR n. d 是〃维非零向量.如果3^＞0,使得V2w （O0）,有/（x + 2J ）＜ （＞） /（x ）.则称d 为f （兀）在点元处的下降（上 升）方向.定理3设f:R n^R.xeR n,且/（兀）在点元处可微,如果日非零向量de R n9 使得Vf （x ）Td ＜ （＞） 0,则d 是/（兀）在点元处的下降（上升）方向.定义 设f:R”TR,HeR”・如果/（兀）在点元处对丁自变量x = （x p x 2,---,x /J ）7'的 各分量的二阶偏导数£単匕丿・=1,2,…,）都存在，则称函数/（兀）在点元处二阶 U Xj 可导，并称矩阵为/（x ）在点元处的二阶导数矩阵或Hesse 矩阵.定义 设h:R" 记/1（兀）=（肉（兀）,爲（兀）,・・・,饥（兀））7',如果勺• （x ） （i = 1,2,…，加）在点元处对于自变量x =（兀］,吃,…£）丁的各分量的偏导数d 2x } 扌/（元） dx }dx 2 巧(元) d 2f(x) 3 x 2d• d 2x 2• d x^d x n L n• •■d 2f(x) ■97(^) • •d 2f(x)d x n d X] d x n d x 2d 2f(x)V 2/(x)丿号⑴(i = 1,2,…，加;J = 1,2,…加 dx f都存在，则称向量函数加对在点元处是一阶可导的，并且称矩阵为/?（%）在点x 处的一阶导数矩阵或Jacobi 矩阵,例2 设aw R",xw R",bw R ,求f （x ） = a Tx-{-h 在任意点兀处的梯度和Hesse 矩阵.解 设0 =（绚卫2，・・・,％）/,兀=（旺,兀2，・・・,£）‘，则/（兀）=工绞母+b ,k=\因。
最优化及最优化方法讲稿
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对于目标函数或约束条件中存在非线性函 数的问题，可以选择非线性规划求解。
动态规划
启发式算法
对于具有时间序列或过程优化的问题，可 以选择动态规划求解。
对于难以建立数学模型或难以使用传统优 化算法求解的问题，可以选择启发式算法 如遗传算法、模拟退火算法等。
编写求解程序
选择合适的编程语言
根据问题的复杂度和求解方法的特点，选择合适的编程语言如 Python、C等。
03
最优化问题的求解步骤
建立数学模型
确定问题的目标函数
确定决策变量
根据问题的实际背景，明确需要优化 的目标，并将其表示为数学函数。
将问题中需要决策的参数表示为数学 变量。
确定约束条件
分析问题中存在的限制条件，并将其 表示为数学不等式或等式。
选择合适的求解方法
线性规划
非线性规划
对于目标函数和约束条件均为线性函数的 问题，可以选择线性规划求解。
模拟退火算法
模拟退火算法是一种基于物理退火过程的优化算法，通过模拟固体退火过程，寻找最优解。模拟退火 算法适用于处理大规模、离散、非线性等复杂问题。
模拟退火算法的基本思想是在搜索过程中引入随机因素，使算法能够在局部最优解周围跳出，从而找 到全局最优解。模拟退火算法的优点在于能够处理多峰问题，且具有较强的鲁棒性和全局搜索能力。
机器学习中的优化问题是最优化问题在人工智能领域的应用，主要涉及如何选择合适的 算法和参数，以最小化预测误差或最大化分类准确率。
详细描述
机器学习中的优化问题需要考虑数据集、模型复杂度、过拟合与欠拟合等因素，通过优 化算法选择合适的算法和参数，以实现预测误差最小化、分类准确率最大化等目标。
最优化方法复习大纲PPT课件
2 0 2 0 0 12
问：（1）确定当前单纯型表中的基变量，基本可行解，
目标函数值。
（2）判断其是否为最优单纯型表，是则给出理由；不是， 则继续求解该问题的最优解。
10
解：
（1）基变量为 x2 , x4 , x5 ，基本可行解为 x1 (0,4,0,2,6)T 。 目标函数值为12。
（2）因为变量 x1 的检验数 1 2 0 ，所以不是最优单纯
题的最优解计算. 6. 模式搜索法：计算。
7. 最优性条件： 积极约束判断，K-T条件， K-T点 判别。
8. 惩罚函数法： 外点法惩罚函数的构造，内点法 障碍函数的构造，外点法、内点法计算。
2
9. 线性规划： 建立线性规划模型，化标准型，基 本可行解的计算，单纯型表上的单纯型算法.
3
例1. 试用梯度法解下述问题 min f ( x) x12 4 x22
min z 2 x1 x2 3 x3
x1 x2 2 x3 4
s.t .
2 x1 x3 2 2x2 x3 5
x1 , x2 0, x3无约束
解： 令 x3 x4 x5 .
max z 2 x1 x2 3 x4 3 x5
x1 x2 2 x4 2 x5 x6 4
已知初始点 x1 (1,1)T ,求迭代点x2。
解： f ( x) [ 2x1 ,8x2 ]T d1 f ( x1) [ 2, 8]T
x x1 d1 [1 2,1 8]T
记 ( ) f ( x1 d1) (1 2 )2 4(1 8 )2
令 '( ) 4(1 2 ) 64(1 8 ) 0
最优化方法复习提纲
一、概念
最优化问题，凸集，凸函数，局部极小点， 全局极小点，下降方向，最优步长，共轭方 向，可行方向，积极约束，线性规划问题， 基本解。
最优化与最优控制
0
)
2 f (X0)
2
f
(
X
0
)
x2x1
2 f (X0
)
xnx1
2 f (X0) x1x2
2 f (X0 x1xn)源自2 f (X0) x2 2
2 f (X0)
xn x2
2 f (X0)
x2xn
2 f (X0
)
xn 2
是f在点X 0处的Hesse矩阵
npjiangb@
npjiangb@
• 2.2 多元函数无约束的极小化 一、Hesse矩阵
设f
: Rn
R1 ,
X
0
Rn
, 如果f在点X
处对于自变量
0
X的各分量的二阶偏导数 2 f ( X 0 ) (i, j 1,2,, n) xix j
都存在，
则
称
函数f在
点X
处
0
二阶
可
导，
并且称矩阵
2
f (X x12
其中 N x * x x x * , 0 。 同样有：严格局部最优解。若 f x * f x
npjiangb@
定义 范数： 在 n 维实向量空间 R n 中，
定义实函数 x , 使其满足以下三个条件：
（１）对任意 x R n 有 x 0 , 当且仅当
dt
t0
• 五 终端控制问题
J Q[x(t f ), t f ]
• 六 非线性系统的最优控制
npjiangb@
• 1.5 最优化问题的解法
• 解析法：利用函数的解析性质去构造迭代公式使之收敛 到最优解
• 直接法：它对函数的解析性质没有要求，而是根据一定 的数学原理来确定
最优化及最优化方法讲稿
最优化的发展简史
最优化是一个古老的课题。长期以来， 人们对最优化问题进行着探讨和研究。
公元前 500年古希腊在讨论建筑美学中就已 发现了长方形长与宽的最佳比例为1. 618,称为 黄金分割比。其倒数至今在优选法中仍得到广泛 应用。在微积分出现以前，已有许多学者开始研 究用数学方法解决最优化问题。例如阿基米德证 明：给定周长，圆所包围的面积为最大。这就是 欧洲古代城堡几乎都建成圆形的原因。
组合最优化
在给定有限集的所有具备某些条件的子集中，按某种目 标找出一个最优子集的一类数学规划。又称组合规划。 从最广泛的意义上说，组合规划与整数规划这两者的领 域是一致的，都是指在有限个可供选择的方案的组成集 合中，选择使目标函数达到极值的最优子集。
组合最优化发展的初期，研究一些比较实用的基本上属 于网络极值方面的问题 ，如广播网的设计 、开关电路设 计、航船运输路线的计划、工作指派、货物装箱方案等。 自从拟阵概念进入图论领域之后，对拟阵中的一些理论 问题的研究成为组合规划研究的新课题，并得到应用。 现在应用的主要方面仍是网络上的最优化问题，如最短 路问题、最大（小）支撑树问题、最优边无关集问题、 最小截集问题、推销员问题等。
学习该课程的需要具备的基本知识
高等数学 线性代数
学习该课程的要求
态度决定一切 正确理解基本概念和原理 掌握最优化方法的思想 能够运用最优化方法分析解决实际问题
最优化问题
最优化问题的数学模型一般形式 minf((x) max) (1 .1 )（目标函数）
s .t. g ix 0 ,i 1 ,2 ,L m , 1 .2 （不等式约束）
D x g i x 0 , i 1 , 2 , L m , h j x 0 , j 1 , L , p , x R n
最优化及最优化方法讲稿
最优化及最优化方法讲稿ppt xx年xx月xx日CATALOGUE目录•最优化问题概述•线性规划问题及其求解方法•非线性规划问题及其求解方法•动态规划问题及其求解方法•最优化算法的收敛性分析•最优化算法的鲁棒性分析•最优化算法的应用举例 - 解决生产调度问题01最优化问题概述最优化问题是一个寻找某个或多个函数的特定输入，以使该函数的输出达到最小或最大的问题。
定义根据不同的分类标准，可以将最优化问题分为线性规划、非线性规划、多目标规划、约束规划等。
分类最优化问题的定义与分类描述所追求的最小或最大值的函数。
目标函数约束条件数学模型限制搜索范围的约束条件。
目标函数和约束条件的数学表达。
03最优化问题的数学模型0201最优化问题的求解方法牛顿法利用目标函数的Hessian矩阵（二阶导数矩阵）进行搜索。
梯度下降法迭代搜索，逐步逼近最优解。
混合整数规划将整数变量引入优化模型中，求解整数规划问题。
模拟退火算法以概率接受劣质解，避免陷入局部最优解。
进化算法模拟生物进化过程的启发式搜索算法。
02线性规划问题及其求解方法线性规划问题定义：在一组线性约束条件下，求解一组线性函数的最大值或最小值的问题。
数学模型：将实际问题转化为线性规划模型，包括决策变量、目标函数和约束条件。
线性规划问题的求解方法 - 单纯形法基本概念：介绍单纯形法的相关概念，如基、可行解、最优解等。
单纯形法步骤：阐述单纯形法的基本步骤和算法流程，包括初始基可行解的求解、最优解的迭代搜索和最终最优解的确定。
单纯形法改进：介绍一些改进的单纯形法，如简化单纯形法、对偶单纯形法等。
线性规划问题的定义与数学模型通过一个具体的生产计划问题，说明如何建立线性规划模型并进行求解。
生产计划问题通过一个配货问题，说明如何运用线性规划模型解决实际问题。
配货问题通过一个投资组合优化问题，说明如何运用线性规划进行风险和收益的平衡。
投资组合优化问题线性规划问题的应用举例03非线性规划问题及其求解方法非线性规划问题定义：非线性规划问题是一类求最优解的问题，其中目标函数和约束条件均为非线性函数。
最优控制的复习提纲汇总
g ( x(t f )，t f ) t f
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连续极小值原理 三、极小值原理 离散极小值原理 H L( x(t ), u (t ), t ) T (t ) f ( x(t ), u (t ), t ) a )正则方程： f x H x b)极值条件： H ( x* (t ), u * (t ), (t ), t ) min H ( x* (t ), u (t ), (t ), t )
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四、时间、燃料最优控 制 定理4.1～4.6 二次积分模型、无阻尼 振荡二阶系统的时间最 优控制 相平面分析法 二次积分模型的燃料最 优控制 五、动态规划 1.基本递推公式
u ( k )V
J * x(k ) min L( x(k ), u (k ), k ) J * x(k 1) k 0,1,, N a. J * x( N 1)的取法
T x tf
0
4
c) x(t0 ) x0 , x(t f )、t f自由
F F x
T x
Fx (t f ) 0
tf
0
d ) x(t0 ) x0 , x(t f ) x f , t f自由
F F x
T 分法求解最优控制 问题） 1 ） 前提条件 固定 2）t f ， 自由 固定 x(t f )自由 受等式约束
b. 末态x( N )受约束x( N )＝0或 x( N ) ＝0时，u * ( N 1)的确定
H L( x(t ), u (t ), t ) T (t ) f ( x(t ), u (t ), t ) a)正则方程： f x H x b)极值条件： H ＝0 u
6
控制系统中的最优控制与最优化技术
控制系统中的最优控制与最优化技术随着科技的不断进步和应用范围的扩大，控制系统在各行各业中的重要性也日益凸显。
最优控制与最优化技术作为控制系统中的重要概念和方法，在提高系统性能和效率方面发挥着关键作用。
本文将就控制系统中的最优控制与最优化技术进行深入探讨。
一、最优控制的定义与概念最优控制是指在满足给定约束条件的前提下，通过使某种性能准则达到最大或最小值来确定控制器参数或控制策略的问题。
最优控制的实现可以使系统在最短时间内达到期望状态或在给定资源条件下获得最佳性能。
最优化技术是实现最优控制的关键方法之一，它利用数学和计算方法来寻找系统中使性能准则达到最大或最小值的最优解。
最优化技术广泛应用于各种领域，例如经济学、工程学、管理学等，其中最为常见的应用是在控制系统中。
二、最优控制的分类最优控制可以分为离散最优控制和连续最优控制两大类。
离散最优控制是指在离散时间点上确定控制器参数或控制策略的问题。
典型的离散最优控制方法包括动态规划、贝尔曼方程等。
连续最优控制是指在连续时间范围内确定控制器参数或控制策略的问题。
常见的连续最优控制方法有经典最优控制、最速控制、最小能耗控制等。
三、最优化技术在控制系统中的应用最优化技术在控制系统中有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域。
1. 机器人控制机器人控制是利用最优化技术来实现机器人移动、定位和路径规划等问题。
通过对机器人运动过程中的能耗、时间等指标进行优化，可以实现机器人的高效控制和优化运动。
2. 制造业控制在制造业中，最优化技术可以用来优化物料和生产设备的调度、工艺参数的优化以及生产线的平衡等问题。
通过合理地设计和优化控制策略，可以提高制造业的生产效率和产品质量。
3. 能源系统控制能源系统控制是指在能源产生、传输和消费过程中，通过最优化技术实现能源的高效利用。
例如在电力系统中，可以通过最优化技术对电网的输电线路和发电机组进行优化调度，以最大限度地提高电网的稳定性和电能的利用率。
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最优化方法与最优控制复习文件
1. 非线性优化的基本概念，最优解的一阶和二阶条件，最速下降方法，拟牛顿法情况，BFGS
修正。
2. 变分问题的最优必要性条件推导，各种情况下的必要性条件，Hamilton 函数、拉格让日
函数。
PPT 中讲到的最优控制实例，包括求解过程需要掌握。
3. 极大值原理搞清楚，以及PPT 中的计算实例。
4. 动态规划，原理和简单的求解技术。
5. LQR 问题也要看一下。
除此之外，还有几个作业题目大家做一下，如下所示：
1. 非线性优化中，从直观考虑最速下降法是一种最快速的迭代优化方法，实际过程中为什
么不理想？为什么采用二阶方法？二阶方法中的二阶导数矩阵怎么得到的？有什么要求？ （15分）
2. 对于函数形式为
的优化问题，若采用最速下降法求解，请给出最优搜索方向p k 的表达式。
变量初值为X0=[1,1,1]T ，请写出第一步迭代过程，以及得到的X1的关于搜索步长α0表达式，在这种情况下，使得))0()0((F 0p x α+最小的搜索步长α0应该等于多少？（15分）
3. 题目要求如下，采用动态规划方法寻求从A 点到B 点的最小时间路径（A 到B 仅能向前
走），（20分）
4. 对于以下简单的标量非线性系统，请通过求解相关HJB 方程得到其最优反馈控制策略。
提示，HJB 微分方程允许如此形式的解。
5.写出如下优化控制问题的Hamiltonian 函数、优化求解的必须性条件，并通过必要性条
件的求解计算出该优化控制和状态轨线。
最小化目标函数
6.根据你对优化控制求解方法的了解，目前对于优化控制问题（或者成为动态优化问题，
DAOPs问题）有哪些求解方法，
7.。