罚函数法求解技巧
第二节 罚函数法
β ∈ (0,1) ，允许误差 ε > 0 ，置 k = 1 ；
k −1 x 为初点，求解无约束优化问题 Step2: 以
min G ( x, r ) = f ( x) + rB( x) s.t. x ∈ int S
设其极小点为 x ；
G ( x, r ) = f ( x) − r ∑ ln g i ( x)
m
-----对数障碍函数
由 G( x, r ) 的定义， r 取值越小，问题
min G ( x, r ) = f ( x) + rB( x) s.t. x ∈ int S
的最优解越接近约束优化问题的最优解。 2. 内点罚函数法的计算步骤
k min H ( x) x Step4: 以 为初始点求解无约束问题 x∈Sk k +1 的最优解
x k +1 ，其中
H k +1 ( x) = −∑ gi ( x) + rk +1 ∑ gi ( x)
i∈I k i∈J k
， Sk = {x | gi ( x) > 0, i ∈ J k }
令 rk + 2 = βrk +1 , k = k + 1, 返回 Step2. 注：该算法中，对于 k = 0,1,2,L ，有 I k +1 ⊂ I k , J k +1 ⊃ J k ，且 最后某个 I k = ∅ 。 三. 广义乘子法 1. 对于等式约束优化问题
φ ( x, y , ω , σ ) = f ( x ) − ∑ ω j ( g j ( x ) − y j ) +
2 j =1 l
罚函数-原理与应用
定理3.37
定理3.37 设对给定的参数μ,F(x,μ)的无约
束极小值为xμ。那么，xμ成为f(x)的约束极小点的
充要条件是：xμ是原问题的可行点。
罚函数法算法
2.罚函数算法
1) 取初始点X0为非可行点,μ0＞0(通常取μ0=1), ε＞0,c＞1(通常取
c=10),k=0
2) 以Xk为出发点，求解无约束极小化问题：
= 12 + 222 + 21 + (1 + 2 − 1)2
(, )
= 12 + 222 + 21
+ (1 + − 1)2
例题
= 2, 2 = 100
(1) = (−0.2,0.4), ( (1) ,μ0 ) = 1.5237
任选一种无约束极小化算法，可解得F(X, μ0)的
问题转化为：
minF(x)
min() = 12 + 222 + 21
..
(3-98)
基本原理
F(x)的等价表达式：
F(x,μ)=x+μ[max(0,-0+2)]²
其中，μ是一个充分大的正数。记
α(x)=[max(0,-x+2)]²
(3-98)
(3-99)
通常将μα(x)称之为罚函数，记为
点正是X=2
解题步骤
一般情况下：
设原问题为
minf(x)
(3-100)
s.t. gi(x)≤0,i=1,2,…,m (3-101)
hj(x)=0,j=1,2,…,l (3-102)
则可以构造无约束极小化问题：
minF(x,μ)=f(x)+μα(x) (3-103)
最优化方法 第三章(罚函数法)
这种惩罚策略，对于在无约束的求解过程中企图违反约
束的迭代点给予很大的目标函数值，迫使无约束问题的 极小点或者无限地向可行域D靠近，或者一直保持在可 行域D内移动，直到收敛到原来约束最优化问题的极小 点。
不改变可行域局部极小值，可以将 约束域之外的局部极小值变大。
p ( x) 0, x D p ( x) 0, x D
k k
k 1
k 1
xk 1是F x, M k 1 的最优解.
k 1 k k 1 k 0 M k 1 M k p ( x ) p ( x ) p ( x ) p ( x )
M k 1 M k
(3) f ( x k 1 ) M k p( x k 1 ) F ( x k 1 , M k ) F ( x k , M k ) f ( x k ) M k p( x k )
gi ( x) gi ( x) max gi ( x), 0 = 罚函数p(x)的构造 2 m l p( x) (max gi ( x), 0) 2 h 2 j ( x)
i 1 j 1
(1) p(x)连续 (2) p( x) 0, x D (3) p( x) 0, x D
二、外点法 外点罚函数法算法步骤 1：给定初始点 x 0 ，初始罚因子M1 0 (可取M1 1 ), 精度 0, k : 1. 2：以 x k 1初始点，求解无约束优化问题
min F ( x, M k ) f ( x) M k p( x)
得到极小点 x* ( M k )，记为 x k ， 其中
p( x) (max gi ( x), 0) h 2 j ( x)
2 i 1 j 1 m l
罚函数法
外罚函数法算法
Step1: 给出 x0 ∈ Rn (可是不可行点)， > 0(ε =10−4 ) ε 罚因子 σ1(σ1 =1) , 放大系数 C(C =10) , k =1. Step2: 以 xk−1 为初始点求无约束问题： ~ m P( x,σk ) = f ( x) +σk P( x) 得 xk = x(σk ). in ~ Step3: 若 σk P(xk ) < ε , 则 x* = xk ,停； 否则转step4 Step4: 令 σk+1 = Cσk , k = k +1, 转step2.
Q f (xk ) ≤ P(xk ,σk ) ≤ f x
设其极限为 f . ∴ { f (xk )} 亦为单调有界序列， ~ ∴ lim σk P(xk ) = lim [P(xk ,σk ) − f (xk )] = p0 − f 0 k→+∞ k→+∞ ~ Q σk →+∞ ∴ lim P(xk ) = 0 k→+∞ ~ ~ ~ 且 P(x) 连续； P(~) = 0 即 ~ 为可行解 x ∴ x Q x →x
0
( )
*
Q x 为最优解；∴ f x* ≤ f (~) x ~, f (x) 连续； f (~) = lim f (x ) ≤ f (x* ) ∴ x Q xk → x k k→+∞ * ~) 即 ~ 为(3)的整体最优解． ∴ f x = f (x x
k *
( )
( )
外罚函数法评价
(1) 如果有了求解无约束问题的好算法，利用 外罚函数法求解约束问题很方便． (2) 每个近似解 x(σk ) 往往不是可行解，这是某 些实际问题所无法接受的． 内罚函数法可以解决． (3) 由收敛性定理 σk 取越大越好， σk 越大将 而 造成增广目标函数 P( x,σ ) 的Hesse阵条件数越 大，趋于病态，给无约束问题求解增加很大困 难，甚至无法求解．乘子法可解决这个问题．
0422 罚函数法
Page 17
所以
1 r x r r
令 r 0 有：
x( r ) x 1, 0
*
T
则最优解及最优值分别为：
x 1, 0
* T
8 , f . 3
*
3. 算法实现
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Step1: 给出 x 0 R n (要求是可行点)， 0 104 罚因子 r1 r1 10 , 缩小系数 c 0.1 , 令 k 1. Step2: 以 x k 1 为初始点求无约束问题：
2 2 min f x x1 x2
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s.t
解：作辅助函数
x1 1 0
2 1 2 2 2
F x, x x max 0, x1 1
2 2 x x x1 1 0 1 2 即：F x , 2 2 2 x1 1 0 x1 x2 x1 1 x1 1 因此： F 2 x1 x1 2 x1 2 x1 1 x1 1 F 2 x2 x2
i 1 j 1
0 是很大的正数．
P ( x ) 0, F ( x , ) f ( x ). 当 x是可行点时， 分析： 当 x不是可行点时， P x 0, 又因 是大正数．
故此 x 很难成为 F x， 的极小点. 因此，按上策略 得到的 F x, 的极小点应充分靠近可行域，逐渐
“围墙”，当迭代点靠近边界时，目标函数值陡然增大,
这相当于对它进行惩罚，从而阻止迭代点穿越边界，
这样就可以把最优解“挡”在可行域内了．
注意： 内点法只适合于不等式约束问题，并且要求 可行域的内点集非空．
罚函数法
就是Hesse矩阵，这时大于零（或小于零）与Hesse的正 矩阵，这时大于零（或小于零） 就是 矩阵 的正 或负定）是一致的， 定（或负定）是一致的，二者都可作为判定泛函数极值的 充分条件。 充分条件。
式中： 式中：x(t)---m维状态函数向量； w(t)---r维决策函数向量； f---微分形式状态方程； t---时间变量； t0---初始时刻； tf---终止时刻。
目标函数随状态变量和决策变量的不同而 不同，也就是说目标函数是函数都是函数。在 不同，也就是说目标函数是函数都是函数。 数学上，这种函数称为泛函， 数学上，这种函数称为泛函，求泛值的问题称 为变分问题。 为变分问题。 因此， 因此，连续系统的最优化问题就是一个变 分问题。 分问题。由于求泛函的极小问题也是一种极值 问题。 问题。 对于无约束问题， 对于无约束问题，根据极值存在的充分必 要条件求极值；对于有约束的最优化问题， 要条件求极值；对于有约束的最优化问题，则 先利用拉格朗日函数或罚函数， 先利用拉格朗日函数或罚函数，将其转化成无 约束最优化问题后再求解。 约束最优化问题后再求解。
动态系统参数的最优化又称连续系统最优化，因 为优化问题的解是t的连续函数。 动态参数优化问题的一般模型：
min J = min{
∫
tf
t0
F [ x ( t ), w ( t ), t ] dt + s [ x ( t f ), t f ]}
dx ( t ) s .t . = f [ x ( t ), w ( t ), t ] dt g [ x ( t ), w ( t ), t ] ≥ 0 c [ x ( t ), w ( t ), t ] = 0 初始条件： x (t 0 ) = x 0
分享：惩罚函数法（内点法、外点法）求解约束优化问题最优值
分享：惩罚函数法（内点法、外点法）求解约束优化问题最优值1 用外点法求下列问题的最优解方法一：外点牛顿法：clcm=zeros(1,50);a=zeros(1,50);b=zeros(1,50);f0=zeros(1,50);% a b为最优点坐标，f0为最优点函数值，f1 f2最优点梯度。
syms x1 x2 e; %e为罚因子。
m(1)=1;c=10;a(1)=0;b(1)=0; %c为递增系数。
赋初值。
f=x1^2+x2^2+e*(1-x1)^2;f0(1)=1;fx1=diff(f,'x1');fx2=diff(f,'x2');fx1x1=diff(fx1,'x1');fx1x2=diff(fx1,'x2');fx2x1=diff(fx2,'x1');fx2x2=diff(fx2,'x2');%求偏导、海森元素。
for k=1:100 %外点法e迭代循环.x1=a(k);x2=b(k);e=m(k);for n=1:100 %梯度法求最优值。
f1=subs(fx1); %求解梯度值和海森矩阵f2=subs(fx2);f11=subs(fx1x1);f12=subs(fx1x2);f21=subs(fx2x1);f22=subs(fx2x2);if(double(sqrt(f1^2+f2^2))<=0.001) %最优值收敛条件a(k+1)=double(x1);b(k+1)=double(x2);f0(k+1)=double(subs (f));break;elseX=[x1 x2]'-inv([f11 f12;f21 f22])*[f1 f2]';x1=X(1,1);x2=X(2,1);endendif(double(sqrt((a(k+1)-a(k))^2+(b(k+1)-b(k))^2))<=0.001)&&(double(abs((f0(k+1)-f0(k))/f0(k)))<=0.001) %罚因子迭代收敛条件a(k+1) %输出最优点坐标，罚因子迭代次数，最优值b(k+1)kf0(k+1)break;elsem(k+1)=c*m(k);endend方法二：外点梯度法：clcm=zeros(1,50);a=zeros(1,50);b=zeros(1,50);f0=zeros(1,50);syms d x1 x2 e;m(1)=1;c=10;a(1)=0;b(1)=0;f=x1^2+x2^2+e*(1-x1)^2; f0(1)=1;fx1=diff(f,'x1');fx2=diff(f,'x2');for k=1:100x1=a(k);x2=b(k);e=m(k);for n=1:100f1=subs(fx1);f2=subs(fx2);if(double(sqrt(f1^2+f2^2))<=0.002)a(k+1)=double(x1);b(k+1)=double(x2);f0(k+1)=double(subs (f));break;elseD=(x1-d*f1)^2+(x2-d*f2)^2+e*(1-(x1-d*f1))^2;Dd=diff(D,'d'); dd=solve(Dd); x1=x1-dd*f1; x2=x2-dd*f2;endendif(double(sqrt((a(k+1)-a(k))^2+(b(k+1)-b(k))^2))<=0.001)&&(double(abs((f0(k+1)-f0(k))/f0(k)))<=0.001) a(k+1)b(k+1)kf0(k+1)break;elsem(k+1)=c*m(k);endend2,点法求下列问题的最优解内点牛顿法clcm=zeros(1,50);a=zeros(1,50);b=zeros(1,50);f0=zeros(1,50);syms x1 x2 e;m(1)=1;c=0.2;a(1)=2;b(1)=-3;f=x1^2+x2^2-e*(1/(2*x1+x2-2)+1/(1-x1)); f0(1)=15;fx1=diff(f,'x1');fx2=diff(f,'x2');fx1x1=diff(fx1,'x1');fx1x2=diff(f x1,'x2');fx2x1=diff(fx2,'x1');fx2x2=diff(fx2,'x2');for k=1:100x1=a(k);x2=b(k);e=m(k);for n=1:100f1=subs(fx1);f2=subs(fx2);f11=subs(fx1x1);f12=subs(fx1x2);f21=subs(fx2x1);f22=subs(fx2x2);if(double(sqrt(f1^2+f2^2))<=0.002)a(k+1)=double(x1);b(k+1)=double(x2);f0(k+1)=double(subs (f));break;elseX=[x1 x2]'-inv([f11 f12;f21 f22])*[f1 f2]';x1=X(1,1);x2=X(2,1);endendif(double(sqrt((a(k+1)-a(k))^2+(b(k+1)-b(k))^2))<=0.001)&&(double(abs((f0(k+1)-f0(k))/f0(k)))<=0.001) a(k+1)b(k+1)kf0(k+1)break;elsem(k+1)=c*m(k);endend。
惩罚函数法
解出x1,x2
5M 4 M 5 x1 x2 2.5 2M 1 2
此时x1,x2则满足约束条件，是原问题的解。
§2惩罚函数法
§2惩罚函数法
§2惩罚函数法
§2惩罚函数法
§2惩罚函数法
§2惩罚函数法 例：内点法求解约束问题 min f (u ) au(a 0) s.t.g (u ) b u 0(b 0)
§2惩罚函数法
§2惩罚函数法
§2罚函数法
§2惩罚函数法
§2惩罚函数法
§2惩罚函数法
s.t. h (xi)=x1+ x2-5=0
该问题只有等式约束 解：首先建立罚函数：
F ( x, M ) f ( x) Mp( x)
P( x)
(max( 0, g
i 1
l
i
( x )))
2
( h j ( x ))
j 1
m
2
( x1 x 2 5) 2
F ( x, M ) ( x1 4) 2 ( x2 4) 2 M ( x1 x2 5) 2
此时的x1,x2不满足约束条件，不是原问题的解。
当x 不属于 S 时
F§2惩罚函数法 ( x2 4) 2 M ( x1 x2 5) 2 ( x, M ) ( x1 4) 2
F 2( x1 4) 2M ( x1 x 2 5) 0 x1 F 2( x 2 4) 2M ( x1 x 2 5) 0 x 2
*
rk a 2 (b u )
rk a
F (u , rk ) f (u ) rk a (b rk 0
1 1 au rk g (u ) bu
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罚函数法求解技巧
罚函数法（也称为约束罚函数法）是一种通过在优化问题中引入罚函数来处理约束条件的方法。
它将约束条件转化为目标函数的一部分，通过调整罚函数的系数来平衡目标函数的优化和约束条件的满足。
罚函数法的基本思想是将原始优化问题转化为无约束优化问题。
具体步骤如下：
1. 将原始问题的约束条件表示为等式或不等式形式。
例如，如果存在等式约束f(x) = 0 和不等式约束g(x) ≤0，则可以将原始优化问题表示为：
min f(x)
s.t. g(x) ≤ 0
2. 引入罚函数，将约束条件转化为目标函数的一部分。
罚函数的形式可以有多种选择，常用的有线性罚函数和二次罚函数。
线性罚函数的形式如下：
min f(x) + κh(x)
s.t. g(x) ≤ 0
其中，h(x)表示约束条件的惩罚项，κ是罚函数的系数。
3. 将原始优化问题转化为无约束优化问题。
通过调整罚函数的系数κ，可以平衡目标函数的优化和约束条件的满
足。
一般来说，较小的κ会更加侧重于满足约束条件，而较大的κ则更加强调目标函数的优化。
4. 使用无约束优化算法求解转化后的无约束优化问题。
根据具体情况选择适当的优化算法，例如牛顿法、梯度下降法等，来求解转化后的无约束优化问题。
5. 根据优化结果得到原始优化问题的解。
根据转化后的无约束优化问题的解，可以得到对应的原始问题的解。
罚函数法的求解技巧包括以下几个方面：
1. 罚函数的选择：罚函数的选择应该考虑到约束条件的性质和目标函数的特点。
例如，如果约束条件是线性的，可以选择线性罚函数；如果约束条件是非线性的，可以选择二次罚函数。
此外，罚函数的形式也可以根据具体问题进行调整，例如引入松弛变量等。
2. 罚函数系数的调整：罚函数的系数κ可以通过试验来确定。
一般而言，初步确定一个较小的值，然后逐步增加，直到找到适当的取值为止。
一般来说，较小的κ会更注重约束条件的满足，较大的κ则更注重目标函数的优化。
3. 初始点的选择：初始点的选择对罚函数法的收敛性和求解效率有一定的影响。
合理选择初始点可以减少迭代次数和计算成本，加速求解过程。
4. 适当限制罚函数系数的增长：随着罚函数系数的增加，罚函数法可能会变得不稳定或收敛速度变慢。
为了避免这种情况的发生，可以设置一个最大罚函数系数，或者在达到一定的罚函数系数后停止迭代。
5. 使用合适的优化算法：在罚函数法中，需要使用无约束优化算法来求解转化后的无约束优化问题。
选择合适的优化算法对求解效率和求解质量都有重要影响。
根据具体情况选择合适的算法，可以提高求解效率和求解质量。
总的来说，罚函数法是一种有效的处理约束条件的方法。
通过引入罚函数，将约束条件转化为目标函数的一部分，可以将原始优化问题转化为无约束优化问题。
在使用罚函数法求解问题时，需要注意罚函数的选择、罚函数系数的调整、初始点的选择、限制罚函数系数的增长以及使用合适的优化算法等因素，以提高求解效率和求解质量。