Zagadnienia

11. Teoria wrażliwości

Dotychczas mnożniki Lagrange'a wydawały się techniczną sztuczką służącą do znajdowania rozwiązania problemu optymalizacyjnego z ograniczeniami. W tym rozdziale pokażemy, że pełnią one rolę kosztu związanego ze zmianą ograniczeń. Oddzielnie zajmiemy się ograniczeniami równościowymi i nierównościowymi.

11.1. Ograniczenia równościowe

Rozważmy problem optymalizacyjny z ograniczeniami równościowymi:

f⁢x→min,hj⁢x=0,⁢j=1,…,l,x∈X,(11.1)

gdzie X∈Rn jest zbiorem otwartym i f,h1,…,hl:X→R. Dla uproszczenia notacji połóżmy h⁢x=h1⁢x,…,hl⁢xT. Rozważmy problem zaburzony, tzn.

f⁢x→min,h⁢x=z,x∈X,(11.2)

gdzie z∈Rl.

Twierdzenie 11.1

Niech x¯ będzie rozwiązaniem lokalnym problemu (11.1), zaś λ¯ wektorem jego mnożników Lagrange'a. Załóżmy, że funkcje f,h1,…,hl są klasy C2 na otoczeniu x¯, gradienty ograniczeń są liniowo niezależne (spełniony jest warunek liniowej niezależności) oraz

dT⁢Dx2⁢L⁢x¯,λ¯⁢d>0(11.3)

dla d∈Rn∖0 spełniających D⁢hj⁢x¯⁢d=0, j=1,…,l. Wówczas istnieje otoczenie O~ punktu 0∈Rl oraz funkcja x:O~→X klasy C1, taka że x⁢0=x¯ oraz x⁢z jest ścisłym rozwiązaniem lokalnym problemu zaburzonego (11.2). Ponadto,

D⁢f∘x⁢0=-λ¯T.
Dowód

Na mocy tw. 8.1 punkt x¯ rozwiązuje układ równań:

Dx⁢L⁢x¯,λ¯=0T,h⁢x¯=0,

gdzie

Dx⁢L⁢x¯,λ¯=D⁢f⁢x¯+λ¯T⁢D⁢h⁢x¯=D⁢f⁢x¯+∑j=1lλ¯j⁢D⁢hj⁢x¯.

Zaburzając prawą stronę drugiej równości przez z będziemy chcieli pokazać, że istnieje rozwiązanie, które jest funkcją z klasy C1. Rozważmy więc układ:

Dx⁢L⁢x,λ=0T,⁢h⁢x=z,

gdzie niewiadomymi są λ oraz x. Zdefiniujmy funkcję G:Rn×Rl×Rl→Rn×Rl wzorem

G⁢x,λ,z=Dx⁢L⁢x,λTh⁢x-z.

Zaburzony układ możemy wówczas zapisać jako

G⁢x,λ,z=0.

Wiemy, że G⁢x¯,λ¯,0=0. Skorzystamy z twierdzenia o funkcji uwikłanej, aby rozwikłać pierwsze dwie zmienne w zależności od trzeciej. W tym celu rozważamy macierz pochodnych D⁢G⁢x¯,λ¯,0:

D⁢G⁢x¯,λ¯,0=Dx2⁢L⁢x¯,λ¯,D⁢h⁢x¯T,0D⁢h⁢x¯,0,-I.

Warunek liniowej niezależności gradientów ograniczeń implikuje nieosobliwość podmacierzy

Dx2⁢L⁢x¯,λ¯,D⁢h⁢x¯TD⁢h⁢x¯,0.

Spełnione są zatem założenia twierdzenia 8.4 i istnieje otoczenie O punktu 0∈Rl oraz funkcje x:O→X i λ:O→Rl klasy C1, takie że dla z∈O zachodzi G⁢x⁢z,λ⁢z,z=0, czyli

Dx⁢L⁢x⁢z,λ⁢z=0T,⁢h⁢x⁢z=z.

Korzystając z faktu, iż funkcje Dx2⁢L,D⁢h,x,λ są ciągłe oraz nierówność (11.3) spełniona jest dla niezaburzonego problemu, wnioskujemy, że istnieje być może mniejsze otoczenie O~ punktu 0∈Rl, takie że

dT⁢Dx2⁢L⁢x⁢z,λ⁢z⁢d>0

dla z∈O~ i d∈Rn∖0 spełniających D⁢hj⁢x⁢z⁢d=0, j=1,…,l. Kluczowa dla tego wyniku jest ostra nierówność w warunku (11.3). Na mocy tw. 9.3 punkt x⁢z jest zatem ścisłym rozwiązaniem lokalnym problemu zaburzonego (11.2). Przypomnijmy, że funkcja x jest klasy C1. Możemy zatem zdefiniować pochodną złożenia

D⁢f∘x⁢0=D⁢f⁢x¯⁢D⁢x⁢0.

Od zakończenia dowodu dzielą nas dwa spostrzeżenia. Po pierwsze, mnożąc obie strony warunku koniecznego pierwszego rzędu dla problemu niezaburzonego

D⁢f⁢x¯+λ¯T⁢D⁢h⁢x¯=0T.

przez D⁢x⁢0 dostajemy

D⁢f⁢x¯⁢D⁢x⁢0+λ¯T⁢D⁢h⁢x¯⁢D⁢x⁢0=0T.

Po drugie, rózniczkując h⁢x⁢z=z po z otrzymujemy w punkcie z=0 następującą pochodną D⁢h∘x⁢0=I, czyli D⁢h⁢x¯⁢D⁢x⁢0=I. Upraszcza to powyższe równanie do

D⁢f⁢x¯⁢D⁢x⁢0+λ¯T=0T.

Stąd już teza wynika natychmiast.

∎

Twierdzenie 11.1 można rozumieć następująco: nieznaczna zmiana j-tego ograniczenia z zera do ε prowadzi do zmiany optymalnej wartości funkcji f o -λ¯j⁢ε+o⁢ε, tzn. dla małych ε zmiana ta jest w przybliżeniu równa -λ¯j⁢ε.

11.2. Ograniczenia nierównościowe

W przypadku ograniczeń nierównościowych zastosujemy inne podejście. Skoncentrujemy się na zadaniu optymalizacji wypukłej:

f⁢x→min,gi⁢x≤0,⁢i=1,…,m,x∈X,(11.4)

gdzie X⊂Rn jest wypukły, f,g1,…,gm:X→R są wypukłe. Dla uproszczenia notacji będziemy pisać g⁢x=g1⁢x,…,gm⁢xT. Problem (11.4) zapisujemy więc jako

f⁢x→min,g⁢x≤0,⁢x∈X.(11.5)

Rozważmy zadanie zaburzone: dla z∈Rm

f⁢x→min,g⁢x≤z,⁢x∈X,(11.6)
Definicja 11.1

Niech DM będzie zbiorem takich z∈Rm, dla których zbiór punktów dopuszczalnych Wz=x∈X:⁢g⁢x≤z jest niepusty. Funkcją perturbacji nazywamy funkcję

M⁢z=infx∈X,⁢g⁢x≤z⁡f⁢x

określoną dla z należących do dziedziny DM.

Zauważmy, że M⁢z<∞ dla z∈DM, ale może się zdarzyć, że M⁢z=-∞.

Twierdzenie 11.2

  1. Zbiór DM jest wypukły.

  2. Funkcja M:DM→R∪-∞ jest wypukła.

  3. Jeśli istnieje punkt x*∈X, taki że gi⁢x*<0, i=1,…,m, to intDM≠∅ i 0∈intDM.

Dowód

Z wypukłości g wynika następująca implikacja:

g⁢x1≤z1,⁢g⁢x2≤z2⁢⟹⁢∀⁢λ∈0,1⁢⁢g⁢λ⁢x1+1-λ⁢x2≤λ⁢z1+1-λ⁢z2.(11.7)

Będziemy korzystać z tego spostrzeżenia wielokrotnie w dowodzie.

(1) Niech z1,z2∈DM i λ∈0,1. Wówczas istnieją x1,x2∈X takie że g⁢x1≤z1 i g⁢x2≤z2. Z wzoru (11.7) dostajemy g⁢λ⁢x1+1-λ⁢x2≤λ⁢z1+1-λ⁢z2, skąd wynika λ⁢z1+1-λ⁢z2∈DM.

(2) Niech z1,z2∈DM i λ∈0,1. Wówczas

λ⁢M⁢z1+1-λ⁢M⁢z2=infx1∈X,⁢g⁢x1≤z1⁡λ⁢f⁢x1+infx2∈X,⁢g⁢x2≤z2⁡1-λ⁢f⁢x2
=infx1∈X,⁢g⁢x1≤z1,⁢x2∈X,⁢g⁢x2≤z2⁡λ⁢f⁢x1+1-λ⁢f⁢x2
≥infx1∈X,⁢g⁢x1≤z1,⁢x2∈X,⁢g⁢x2≤z2⁡f⁢λ⁢x1+1-λ⁢x2
≥infx∈X,⁢g⁢x≤λ⁢z1+1-λ⁢z2⁡f⁢x,

gdzie pierwsza nierówność wynika z wypukłości f, zaś ostatnia – z własności (11.7):

λ⁢x1+1-λ⁢x2:⁢x1∈X,⁢g⁢x1≤z1,⁢x2∈X,⁢g⁢x2≤z2⊆x∈X:⁢g⁢x≤λ⁢z1+1-λ⁢z2.

(3) Musimy udowodnić, że zbiór dopuszczalny Wz jest niepusty dla z z pewnego otoczenia 0∈Rm. Wiemy, że istnieje punkt x*∈X, taki że gi⁢x*<0, i=1,…,m. Weźmy a=min⁡-gi⁢x*:⁢i=1,…,m. Wówczas dla każdego z∈-a,am mamy x*∈Wz. Zatem -a,am⊂DM.

∎
Uwaga 11.1

  1. Jeśli M⁢z¯=-∞ dla pewnego z¯∈DM, to dla dowolnego z∈DM i λ∈0,1 mamy z wypukłości M⁢λ⁢z¯+1-λ⁢z=-∞.

  2. Jeśli M⁢z¯=-∞ dla pewnego z¯∈DM, to M⁢z=-∞ dla z∈intDM. Wynika to wprost z powyższej uwagi.

  3. Jeśli istnieje z¯∈intDM taki że M⁢z¯>-∞, to M⁢z>-∞ dla każdego z∈DM. Inaczej mielibyśmy sprzeczność z punktem (2).

Twierdzenie 11.3

Jeśli w problemie optymalizacji wypukłej istnieje punkt x*∈X, taki że gi⁢x*<0, i=1,…,m, oraz M⁢0>-∞, to M⁢z>-∞ dla każdego z∈DM oraz istnieje wektor μ∈0,∞m wyznaczający płaszczyznę podpierającą M:

M⁢z≥M⁢0-μT⁢z,⁢z∈DM.
Dowód

Z tw. 11.2 wynika, że M jest funkcją wypukłą i 0∈intDM. Zatem na mocy ostatniej z powyższych uwag mamy M⁢z>-∞ dla z∈DM. Istnienie płaszczyzny podpierającej wynika z tw. 3.8:

M⁢z≥M⁢0-μT⁢z,⁢z∈DM,

dla pewnego μ∈Rm. Udowodnimy teraz, że wszystkie współrzędne μ muszą być nieujemne. Przypuśćmy przeciwnie, tzn. μi<0 dla pewnego i∈1,…,m. Ponieważ 0∈intDM, to dla dostatecznie małego a>0 punkt z¯=0,…,0,a,0,…,0T, gdzie a jest na i-tej pozycji, należy do DM. Korzystając z ujemności μi mamy

M⁢z¯≥M⁢0-μi⁢a>M⁢0.

Z drugiej strony W0⊆Wz¯, czyli M⁢z¯≤M⁢0. To daje sprzeczność, czyli dowiedliśmy, że μ∈0,∞m.

∎

Wektor μ nazywamy wektorem wrażliwości dla problemu (11.4). Z tw. 3.8 wynika, że jeśli funkcja M jest różniczkowalna w punkcie 0, to μ=-D⁢M⁢0T. Zatem μ oznacza szybkość i kierunek zmian wartości minimalnej f przy zmianie ograniczeń, podobnie jak w przypadku ograniczeń równościowych omawianych wcześniej w tym rozdziale.

Zbadajmy teraz relacje pomiędzy wektorem wrażliwości a punktem siodłowym i warunkiem pierwszego rzędu. Zauważmy, że powiązanie punktu siodłowego z wektorem wrażliwości nie wymaga wypukłości problemu optymalizacyjnego.

Twierdzenie 11.4

  1. Jeśli x¯,μ¯ jest punktem siodłowym funkcji Lagrange'a na zbiorze X×0,∞m, to μ¯ jest wektorem wrażliwości (tzn. wyznacza płaszczyznę podpierającą). Teza ta nie wymaga założenia o wypukłości problemu optymalizacyjnego.

  2. Załóżmy, że funkcje f,g1,…,gm są różniczkowalne w x¯, i wypukłe. Jeśli w x¯ spełniony jest warunek pierwszego rzędu z mnożnikami Lagrange'a μ¯∈0,∞m, to μ¯ jest wektorem wrażliwości.

Dowód

(1) Oznaczmy przez Lz⁢x,μ funkcję Langrange'a dla problemu zaburzonego. Wówczas

Lz⁢x,μ=f⁢x+∑i=1mμi⁢gi⁢x-zi=L⁢x,μ-μT⁢z.

Z faktu, że x¯,μ¯ jest punktem siodłowym wynika, że

M⁢0=L⁢x¯,μ¯=infx∈X⁡L⁢x,μ¯.

Zatem

M⁢0=infx∈X⁡L⁢x,μ¯=infx∈X⁡Lz⁢x,μ¯+μ¯T⁢z=infx∈X⁡Lz⁢x,μ¯+μ¯T⁢z.(11.8)

Zauważmy, że dla dowolnego x∈Wz i μ∈0,∞m mamy f⁢x≥Lz⁢x,μ, czyli, w szczególności,

M⁢z=infx∈Wz⁡f⁢x≥infx∈Wz⁡Lz⁢x,μ¯≥infx∈X⁡Lz⁢x,μ¯.

Wstawiając tą zależność do (11.8) otrzymujemy

M⁢0≤M⁢z+μ¯T⁢z.

(2) Z zadania 10.1 wynika, iż punkt x¯,μ¯ jest punktem siodłowym funkcji Lagrange'a. Tezę dostajemy z pierwszej części niniejszego twierdzenia.

∎

11.3. Zadania

Ćwiczenie 11.1

Dla problemu

x12+2⁢x22→min,x12+x22≤0,x1≤0.
  1. Znaleźć DM.

  2. Znaleźć wektor wrażliwości.

  3. Znaleźć funkcję perturbacji.

Wskazówka: 

Umieszczenie ograniczenia x12+x22≤0 było intencją autora zadania.

Ćwiczenie 11.2

Znajdź funkcję perturbacji i wektor wrażliwości dla problemu

x12+x22→min,x1+x2≤0.
Ćwiczenie 11.3

Załóżmy, że w zadaniu optymalizacyjnym (11.4) funkcje f i gi są klasy C1 oraz X=Rn. Czy funkcja perturbacji musi być wówczas klasy C1? Udowodnij lub podaj kontrprzykład.

Ćwiczenie 11.4

Załóżmy, że w zadaniu optymalizacyjnym (11.4) funkcje f i gi są ciągłe oraz X=Rn. Czy funkcja perturbacji musi być wówczas ciągła? Udowodnij lub podaj kontrprzykład.

Ćwiczenie 11.5

Rozważmy problem producenta. Dysponuje on budżetem b>0, który może spożytkować na wytworzenie dwóch rodzajów towarów. Pierwszy z towarów sprzedaje po cenie p1>0, zaś drugi – po cenie p2>0. Cena produkcji opisana jest funkcją c⁢x1,x2, gdzie wektor x opisuje wielkość produkcji każdego z towarów. Celem producenta jest maksymalizacja przychodów ze sprzedaży bez przekroczenia budżetu produkcyjnego:

p1⁢x1+p2⁢x2→max,c⁢x1,x2≤b.
  1. Podaj warunki konieczne istnienia rozwiązania powyższego problemu.

  2. Załóżmy, że c jest funkcją wypukłą. Jak należy zmodyfikować wielkość produkcji, jeśli budżet produkcyjny b wrośnie nieznacznie?

Ćwiczenie 11.6

Rozważmy funkcję f:0,∞→R zadaną wzorem

f⁢t=minx,y∈R⁡ex2-y+y2-x:⁢x2+x4-2⁢x⁢y+3⁢y2≤t.

Uzasadnij, że funkcja f jest dobrze określona i wypukła.

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.