Zagadnienia

4. Ekstrema funkcji wypukłej z ograniczeniami

4.1. Problem minimalizacyjny

Niech W będzie niepustym wypukłym podzbiorem Rn, zaś f:W→R będzie funkcją wypukłą. Rozważmy problem minimalizacji funkcji f na zbiorze W:

f⁢x⟶min,x∈W.(4.1)

Przypomnijmy, że punktami dopuszczalnymi nazywamy elementy zbioru W. Rozwiązaniem globalnym nazywamy taki punkt x¯∈W, że f⁢x¯≤f⁢x dla każdego x∈W. Rozwiązaniem lokalnym jest taki punkt x¯∈W, że istnieje ε>0, dla którego f⁢x¯≤f⁢x, jeśli x∈W∩B⁢x¯,ε. Rozwiązanie jest ścisłe, jeśli f⁢x¯<f⁢x dla x∈W∩B⁢x¯,ε i x≠x¯. Innymi słowy, x¯ jest rozwiązaniem lokalnym, jeśli x¯ jest minimum funkcji f na pewnym otoczeniu x¯.

Twierdzenie 4.1

Niech W⊂Rn wypukły, f:W→R wypukła. Jeśli x¯∈W będzie rozwiązaniem lokalnym (4.1), to:

  • I) x¯ jest rozwiązaniem globalnym,

  • II) Zbiór rozwiązań globalnych jest wypukły.

  • III) Jeśli f jest ściśle wypukła, to x¯ jest ścisłym rozwiązaniem lokalnym.

  • IV) Jeśli x¯ jest ścisłym rozwiązaniem lokalnym, to x¯ jest jedynym rozwiązaniem globalnym.

Zauważmy, że w powyższym twierdzeniu nie zakładamy różniczkowalności funkcji f.

Dowód twierdzenia 4.1

(I): Dowód przez sprzeczność. Przypuśćmy, że istnieje x*∈W takie że f⁢x*<f⁢x¯. Ponieważ x¯ jest rozwiązaniem lokalnym, to f⁢x¯≤f⁢x dla x∈W∩B⁢x¯,ε i ε>0. Z wypukłości zbioru W wynika, iż odcinek łączący x¯ i x* znajduje się w zbiorze W. Ma on więc niepuste przecięcie z kulą B⁢x¯,ε: dla pewnego λ∈0,1 mamy λ⁢x¯+1-λ⁢x*∈B⁢x¯,ε. Z wypukłości f dostajemy

f⁢λ⁢x¯+1-λ⁢x*≤λ⁢f⁢x¯+1-λ⁢f⁢x*<f⁢x¯,

co przeczy lokalnej optymalności x¯.

(II) Pozostawione jako ćwiczenie.

(III) Wynika wprost z definicji ścisłej wypukłości.

(IV) Pozostawione jako ćwiczenie.

∎

Dotychczas pokazaliśmy, że warunkiem koniecznym i dostatecznym minimum funkcji wypukłej na zbiorze wypukłym i otwartym jest zerowanie się pochodnej/gradientu. Uogólnimy teraz te wyniki na przypadek dowolnych zbiorów wypukłych.

Twierdzenie 4.2

Niech W⊂Rn wypukły, f:W→R wypukła. Jeśli f jest różniczkowalna w punkcie x¯∈W, to mamy następującą równoważność: x¯ jest rozwiązaniem (4.1) wtw, gdy D⁢f⁢x¯⁢x-x¯≥0 dla każdego x∈W.

Uwaga 4.1

W sformułowaniu powyższego twierdzenia, jak i w wielu miejscach w dalszej części tych notatek, zastosowany jest następujący skrót myślowy. Aby mówić o różniczkowalności funkcji f w punkcie x¯∈W, musi być ona określona w pewnym otoczeniu x¯, czyli w kuli B⁢x¯,ε dla pewnego ε>0. Jeśli x¯ jest na brzegu W, to zakładać będziemy, że f jest określona na W∪B⁢x¯,ε mimo, że jest to pominięte, dla prostoty notacji, w założeniach twierdzenia.

Uwaga 4.2

Jeśli x¯∈intW, to warunek powyższy sprowadza się do warunku zerowania się pochodnej D⁢f⁢x¯=0.

Dowód tw. 4.2

Załóżmy, że D⁢f⁢x¯⁢x-x¯≥0 dla każdego x∈W. Ustalmy x∈W. Na mocy twierdzenia 3.8

f⁢x≥f⁢x¯+D⁢f⁢x¯⁢x-x¯.

Z założenia, drugi składnik jest nieujemny, co pociąga f⁢x≥f⁢x¯. Z dowolności x∈W dostajemy tezę.

Załóżmy teraz, że x¯ jest rozwiązaniem (4.1). Ustalmy x∈W. Zauważmy, że wypukłość W implikuje x¯+λ⁢x-x¯=1-λ⁢x¯+λ⁢x∈W dla λ∈0,1. Z definicji pochodnej mamy

D⁢f⁢x¯⁢x-x¯=limλ↓0,⁢λ<1⁡f⁢x¯+λ⁢x-x¯-f⁢x¯λ.

Ponieważ w punkcie x¯ jest minimum, to f⁢x¯+λ⁢x-x¯≥f⁢x¯. Stąd D⁢f⁢x¯⁢x-x¯≥0.

∎

Z dowodu powyższego twierdzenia dostajemy użyteczny wniosek.

Wniosek 4.1

Jeśli x¯∈W, gdzie W⊂Rn jest wypukły, jest rozwiązaniem lokalnym (4.1) dla funkcji f:W→R (niekoniecznie wypukłej) różniczkowalnej w x¯, to D⁢f⁢x¯⁢x-x¯≥0 dla każdego x∈W.

Przykład 4.1

Rozważmy problem minimalizacyjny:

x1-322+x2-52⟶min,-x1+x2≤2,2⁢x1+3⁢x2≤11,x1,x2≥0,

Zbiór W zadany jest przez ograniczenia liniowe (patrz rysunek 4.1):

W=x1,x2∈R2:x1,x2≥0,-x1+x2≤2, 2⁢x1+3⁢x2≤11.
Rys. 4.1. Zbiór punktów dopuszczalnych.

Łatwo sprawdzić, że jest on wypukły. Funkcja f⁢x1,x2=x1-322+x2-52 jest ściśle wypukła: jej hesjan wynosi

D2⁢f⁢x1,x2=2002.

Na mocy tw. 4.1 minimum jest jednoznaczne. Policzmy gradient f:

D⁢f⁢x1,x2=2⁢x1-3,2⁢x2-10.

Gradient zeruje się w punkcie 32,5, który jest poza zbiorem W. Minimum należy zatem szukać na brzegu W. Nie mamy jeszcze narzędzi ułatwiających znalezienie tego punktu. Zgadujemy… Sprawdźmy wierzchołek x¯=1,3. Gradient w tym punkcie wynosi -1,-4. Zauważmy, że wektory x-x¯ są kombinacjami liniowymi dodatnimi wektorów x1=0,2-1,3=-1,-1 i x2=112,0-1,3=92,-3, tzn. x-x¯=a1⁢x1+a2⁢x2 dla pewnych a1,a2≥0. Wystarczy zatem sprawdzić, że D⁢f⁢x¯⁢x1≥0 i D⁢f⁢x¯⁢x2≥0:

D⁢f⁢x¯⁢x1=-1,-4⁢-1-1=5,
D⁢f⁢x¯⁢x2=-1,-4⁢9/2-3=16⁢12.

Na mocy tw. 4.2 minimum jest rzeczywiście w punkcie 1,3.

Rozszerzymy teraz twierdzenie 4.2 na klasę funkcji wypukłych nieróżniczkowalnych – skorzystamy z wprowadzonego w poprzednim rozdziale pojęcia subróżniczki.

Twierdzenie 4.3

Niech W~⊂Rn wypukły otwarty, f:W~→R wypukła. Załóżmy, że zbiór punktów dopuszczalnych W jest wypukłym podzbiorem W~. Mamy następującą równoważność: x¯ jest rozwiązaniem (4.1) wtw, gdy istnieje ξ∈∂⁡f⁢x¯, takie że ξT⁢x-x¯≥0 dla każdego x∈W.

Wniosek 4.2

Niech W⊂Rn wypukły otwarty, f:W~→R wypukła. Wówczas f ma w x¯∈W minimum globalne wtw, gdy 0∈∂⁡f⁢x¯.

Dowód twierdzenia 4.3

Zacznijmy od łatwiejszej implikacji. Załóżmy, że istnieje ξ∈∂⁡f⁢x¯, takie że ξT⁢x-x¯≥0 dla każdego x∈W. Z faktu, że ξ jest subgradientem wynika, że

f⁢x≥f⁢x¯+ξT⁢x-x¯,⁢x∈W.

Wystarczy teraz skorzystać z założenia, żeby zauważyć, że f⁢x≥f⁢x¯ dla x∈W, czyli x¯ jest rozwiązaniem (4.1).

Załóżmy teraz, że x¯∈W jest rozwiązaniem (4.1). Zdefiniujmy dwa zbiory

C1=x,z∈Rn×R:⁢x∈W~,⁢z>f⁢x-f⁢x¯,
C2=x,z∈Rn×R:⁢x∈W,⁢z≤0.

Oba zbiory są wypukłe, C1 ma niepuste wnętrze (zbiór C2 ma puste wnętrze, jeśli W ma puste wnętrze). Z faktu, że punkt x¯ jest rozwiązaniem (4.1) wynika, że C1∩C2=∅. Stosujemy słabe twierdzenie o oddzielaniu: istnieje niezerowy wektor μ,γ∈Rn×R i stała b∈R, takie że

μT⁢x+γ⁢z≤b,⁢∀⁢x∈W~,⁢z>f⁢x-f⁢x¯μT⁢x+γ⁢z≥b,⁢∀⁢x∈W,⁢z≤0.(4.2)

Zanim przejdziemy do analitycznych rozważań popatrzmy na geometryczny obraz. Zauważmy, że zbiory C1 i C2 ,,stykają” się w punkcie x¯,0. Hiperpłaszczyzna oddzielająca te zbiory musi zatem przechodzić przez ten punkt. Jest ona styczna do wykresu funkcji x↦f⁢x-f⁢x¯ – pierwsza grupa współrzędnych μ wektora μ,γ do niej normalnego, z dokładnością do długości i zwrotu, wyznacza subgradient tego odwzorowania w punkcie x¯ (a zatem także subgradient f). Z faktu, że ta hiperpłaszczyzna jest również styczna do C2 dostajemy μT⁢x-x¯≥0.

Udowodnijmy to teraz analitycznie. Odejmijmy od obu stron nierówności (4.2) μT⁢x¯:

μT⁢x-x¯+γ⁢z≤b~,⁢∀⁢x∈W~,⁢z>f⁢x-f⁢x¯(4.3)
μT⁢x-x¯+γ⁢z≥b~,⁢∀⁢x∈W,⁢z≤0,(4.4)

gdzie b~=b-μT⁢x¯. Zauważmy najpierw, że γ nie może być większa od zera. Wówczas, wykorzystując dowolność z≤0, dostajemy sprzeczność z (4.4). Kładąc w (4.4) x=x¯ i z=0, otrzymujemy b~≤0. Wnioskujemy stąd, że niedopuszczalne jest γ=0: z nierówności (4.3) (pamiętając o otwartości W~) dostalibyśmy bowiem μ=0, co przeczyłoby niezerowości wektora μ,γ. Wykazaliśmy więc, że

γ<0.

Biorąc x=x¯, nierówność (4.3) upraszcza się do γ⁢z≤b~ dla z>0. Stąd b~≥0. Łącząc to z poprzednio otrzymaną nierównością b~≤0 dostajemy

b~=0.

Przechodząc w (4.3) z z do f⁢x-f⁢x¯ mamy

μT⁢x-x¯+γ⁢f⁢x-f⁢x¯≤0.

Dzieląc obie strony przez γ i pamiętając, że γ<0 dostajemy

μTγ⁢x-x¯+f⁢x-f⁢x¯≥0,

co dowodzi, że -μγ∈∂⁡f⁢x¯. Kładąc z=0 w (4.4) otrzymujemy μT⁢x-x¯≥0. Dzielimy obie strony przez -γ>0:

-μTγ⁢x-x¯≥0,

co kończy dowód.

∎

4.2. Funkcje pseudowypukłe

W tym podrozdziale wprowadzimy rodzinę funkcji, dla której spełniony jest warunek:

D⁢f⁢x¯=0⁢⟺⁢w x¯ jest minimum globalne.

Okazuje się, że rodzina ta obejmuje nie tylko funkcje wypukłe.

Definicja 4.1

Niech W⊂Rn będzie otwarty i niepusty, zaś f:W→R – różniczkowalna w W. Funkcja f jest pseudowypukła w x¯∈W, jeśli

∀⁢y∈W:⁢D⁢f⁢x¯⁢y-x¯≥0⟹f⁢y≥f⁢x¯.

Funkcja f jest ściśle pseudowypukła w x¯∈W, jeśli

∀⁢y∈W:⁢D⁢f⁢x¯⁢y-x¯≥0,⁢x¯≠y⟹f⁢y>f⁢x¯.

Funkcja f jest (ściśle) pseudowypukła, jeśli jest ona (ściśle) pseudowypukła w każdym punkcie x¯∈W.

Funkcja f jest (ściśle) pseudowklęsła, jeśli -f jest (ściśle) pseudowypukła.

Uwaga 4.3

Implikacja w definicji pseudowypukłości ma równoważną postać:

∀⁢y∈W:⁢f⁢y<f⁢x¯⟹D⁢f⁢x¯⁢y-x¯<0.
Rys. 4.2. Przykłady funkcji pseudowypukłych i pseudowklęsłych.

Na rysunku 4.2 znajdują się przykłady jednowymiarowych funkcji pseudowypukłych i pseudowklęsłych.

Lemat 4.1

Niech f:W→R, gdzie W⊂Rn wypukły, otwarty i niepusty. Jeśli f jest (ściśle) wypukła i różniczkowalna na W, to f jest (ściśle) pseudowypukła.

Dowód

Załóżmy, że f wypukła. Na mocy tw. 3.8 dla dowolnych x¯,x∈W mamy

f⁢x≥f⁢x¯+D⁢f⁢x¯⁢x-x¯.

Jeśli zatem D⁢f⁢x¯⁢x-x¯≥0, to f⁢x≥f⁢x¯ i f jest pseudowypukła. W analogiczny sposób dowodzimy, że ścisła wypukłość pociąga ścisłą pseudowypukłość.

∎
Lemat 4.2

Niech f:W→R, gdzie W⊂Rn, otwarty, niepusty, będzie funkcją pseudowypukłą w x¯∈W. Wówczas x¯ jest minimum globalnym wtw, gdy D⁢f⁢x¯=0.

Dowód

Identyczny jak dowód wniosku 3.2.

∎

Dowód poniższego lematu jest identyczny jak dowód twierdzenia 4.2.

Lemat 4.3

Niech W⊂Rn wypukły, f:W→R pseudowypukła. Mamy następującą równoważność: x¯ jest rozwiązaniem (4.1) wtw, gdy D⁢f⁢x¯⁢x-x¯≥0 dla każdego x∈W.

4.3. Maksymalizacja funkcji wypukłej

Definicja 4.2

Punktem ekstremalnym zbioru wypukłego W⊂Rn nazwiemy taki punkt x¯∈W, który nie jest punktem wewnętrznym żadnego odcinka zawartego w W, tj. jeśli x¯=λ⁢x1+1-λ⁢x2 dla pewnych λ∈0,1 i x1,x2∈W, to x1=x2=x¯.

Definicja 4.3

Otoczką wypukłą punktów xii∈I nazywamy zbiór punktów będących kombinacją wypukłą skończonej liczby spośród punktów xi.

Otoczkę wypukłą można równoważnie definiować jako najmniejszy zbiór wypukły zawierający punkty xii∈I.

Przedstawimy teraz prostą wersję twierdzenia Kreina-Milmana.

Twierdzenie 4.4

Niech U⊂Rn będzie zbiorem wypukłym i zwartym. Jest on wówczas otoczką wypukłą swoich punktów ekstremalnych.

Przed przejściem do dowodu powyższego twierdzenia wprowadzimy niezbędne pojęcia. Przypomnijmy, że przestrzenią afiniczną nazywamy zbiór A, taki że ∑i=1kλi⁢xi∈A dla dowolnych xi⊂A i λi⊂R takich że ∑i=1kλi=1. Każda podprzestrzeń afiniczna Rn może zostać przesunięta tak, aby zawierała 0. Staje się ona wówczas podprzestrzenią liniową. Wymiarem podprzestrzeni afinicznej nazywamy wymiar związanej z nią podprzestrzeni liniowej.

Definicja 4.4

Wymiarem zbioru wypukłego U⊂Rn nazywamy wymiar otoczki afinicznej U, tzn. podprzestrzeni afinicznej generowanej przez U:

affU=∑i=1kλi⁢xi:⁢x1,…,xk∈U,⁢∑i=1kλi=1.

Zapiszmy łatwe wnioski z powyższej definicji i rozważań ją poprzedzających:

Wniosek 4.3

  1. Zbiór wypukły o wymiarze m<n możemy traktować jako podzbiór przestrzeni Rm.

  2. Zbiór wypukły w przestrzeni Rn ma niepuste wnętrze wtw, gdy jego wymiar wynosi n.

Dotychczas rozważaliśmy hiperpłaszczyzny podpierające epigraf funkcji wypukłej. Teraz uogólnimy to pojęcie na dowolny zbiór wypukły.

Lemat 4.4

Niech U⊂Rn będzie zbiorem wypukłym o niepustym wnętrzu. Przez punkt brzegowy x¯∈U przechodzi wówczas hiperpłaszczyzna, taka że zbiór U leży w jednej z wyznaczonych przez nią półprzestrzeni. Hiperpłaszczyznę tą nazywamy hiperpłaszczyzną podpierającą zbiór U w punkcie x¯.

Dowód

Na mocy słabego twierdzenia o oddzielaniu zastosowanego do U i V=x¯ (zauważmy, że intU∩V=∅) istnieje a∈Rn, takie że aT⁢x≤aT⁢x¯ dla każdego x∈U. Szukaną hiperpłaszczyzną jest

H=x∈Rn:⁢aT⁢x=aT⁢x¯.

Zbiór U zawarty jest w półprzestrzeni x∈Rn:⁢aT⁢x≤aT⁢x¯.

∎
Dowód twierdzenia 4.4

Przeprowadzimy indukcję po wymiarze m zbioru zwartego i wypukłego U. Przypadki m=0 (U jest punktem) i m=1 (U jest odcinkiem) są trywialne. Czas na krok indukcyjny. Załóżmy, że każdy zbiór wypukły i zwarty o wymiarze nie większym od m jest otoczką wypukłą swoich punktów ekstremalnych. Weźmy zbiór wypukły i zwarty U o wymiarze m+1. Zbiór ten traktujemy jako podzbiór Rm+1. Ma on wówczas niepuste wnętrze. Niech x¯∈U.

Przypadek (I): x¯ leży na brzegu U. Na mocy lematu 4.4 istnieje hiperpłaszczyzna podpierająca H przechodząca przez x¯. Zbiór Ux¯=U∩H jest wypukły, zwarty i o wymiarze co najwyżej m. Na mocy założenia indukcyjnego punkt x¯ jest kombinacją wypukłą punktów ekstremalnych Ux¯. Pozostaje już tylko wykazać, że punkty ekstremalne Ux¯ są punktami ekstremalnymi U. Wynika to stąd, że żaden punkt x∈Ux¯ nie może być przedstawiony jako kombinacja wypukła punktów, z których jeden lub oba nie należą do Ux¯.

Przypadek (II): x¯ leży we wnętrzu U. Przeprowadźmy przez x¯ dowolną prostą. Przecina ona brzeg U w dwóch punktach x1,x2. Z przypadku (I) wiemy, że każdy z punktów x1,x2 może zostać przedstawiony jako kombinacja wypukła skończonej liczby punktów ekstremalnych U. Punkt x¯ może być zapisany jako kombinacja wypukła x1,x2, a więc należy do otoczki wypukłej punktów ekstremalnych U.

∎

Poniżej prezentujemy inny dowód twierdzenia 4.4 bazujący częściowo na pomysłach wykorzystywanych w dowodzie ogólnej wersji twierdzenia Kreina-Milmana. W przeciwieństwie do powyższego rozumowania, dowód ten nie jest konstruktywny.

Alternatywny dowód twierdzenia 4.4

Jeśli zbiór U zawarty jest w R1, to teza twierdzenia jest trywialna. Załóżmy więc, że każdy wypukły zwarty podzbiór Rm jest otoczką wypukłą swoich punktów ekstremalnych. Udowodnimy prawdziwość tego stwierdzenia dla U⊂Rm+1. Niech W będzie otoczką wypukłą punktów ekstremalnych U. Oczywiście W⊂U. Przypuśćmy, że istnieje x¯∈U∖W. Wówczas możemy znaleźć kulę o środku w x¯ i dostatecznie małym promieniu, która nie przecina W. Na mocy mocnego twierdzenia o oddzielaniu, tw. 3.2, istnieje wektor a∈Rm+1, taki że aT⁢x≤α dla x∈W i aT⁢x¯>α. Niech β=supx∈U⁡aT⁢x. Supremum to jest po całym zbiorze U i jest skończone ze zwartości U. Hiperpłaszczyzna P=x∈Rm+1:⁢aT⁢x=β nie przecina W (bo α<aT⁢x¯≤β), ale ma punkt wspólny z U. Rzeczywiście, PU:=P∩U jest niepusty, gdyż ze zwartości U wynika, że supremum definiujące β jest osiągane, czyli istnieje x∈U, dla którego aT⁢x=β. Pokażemy, że PU zawiera punkt ekstremalny U, co będzie sprzeczne z definicją zbioru W. Zbiór PU jest niepustym, zwartym zbiorem wypukłym w przestrzeni afinicznej o wymiarze m. Zbiór PU możemy traktować jako podzbiór Rm, czyli na mocy założenia indukcyjnego jest on otoczką wypukłą swoich punktów ekstremalnych. Niech y¯ będzie jednym z punktów ekstremalnych PU i załóżmy, że jest on kombinacją wypukłą y1,y2∈U, y¯=λ⁢y1+1-λ⁢y2 dla λ∈0,1. Wówczas β=aT⁢y¯=λ⁢aT⁢y1+1-λ⁢aT⁢y2. Z konstrukcji β wynika, że zarówno aT⁢y1 jak i aT⁢y2 muszą być równe β, czyli y1,y2∈PU. Z faktu, że y¯ jest punktem ekstremalnym PU wnioskujemy, że y1=y2=y¯, czyli y¯ jest punktem ekstremalnym U.

∎
Twierdzenie 4.5

Niech f:W→R wypukła, ciągła, określona na wypukłym i zwartym zbiorze W⊂Rn. Wówczas punkt ekstremalny zbioru W jest jednym z rozwiązań globalnych problemu

f⁢x→max,x∈W.
Dowód

Funkcja ciągła osiąga swoje kresy na zbiorze zwartym. Powyższy problem maksymalizacyjny ma zatem rozwiązanie x¯∈W. Na mocy tw. 4.4 punkt x¯ jest kombinacją wypukłą skończonej liczby punktów ekstremalnych, x1,…,xm, zbioru W, tzn.

x¯=a1⁢x1+a2⁢x2+…+am⁢xm

dla liczb a1,…,am>0 takich że a1+…+am=1. Z wypukłości f dostajemy

f⁢x¯≤a1⁢f⁢x1+…+am⁢f⁢xm.

Z faktu, że x¯ jest maksimum f na zbiorze W wynika, że f⁢x1=…=f⁢xm=f⁢x¯.

∎
Przykład 4.2

Rozważmy następujące zadanie optymalizacyjne:

x1+x22→max,x12+x22≤1,x1+x2≥0.
Rys. 4.3. Zbiór punktów dopuszczalnych. Punkty ekstremalne zaznaczone pogrubioną linią.

Funkcja celu jest wypukła, więc na mocy twierdzenia 4.5 punkt ekstremalny jest rozwiązaniem. Zbiór punktów dopuszczalnych jest kołem przeciętym z półprzestrzenią, czyli zbiorem wypukłym. Zbiór punktów ekstremalnych zaznaczony jest pogrubioną linią na rysunku 4.3. Jest to fragment okręgu. Zmaksymalizujmy więc funkcję celu na całym okręgu i zobaczmy, czy rozwiązanie należy do tego fragmentu okręgu. Podstawiając x22=1-x12 do funkcji celu dostajemy

x1+1-x12→max.

Rozwiązaniem tego problemu jest x1=1/2. Stąd x2=±3/2. Para 1/2,3/2 należy do półokręgu punktów ekstremalnych, więc jest rozwiązaniem, lecz niekoniecznie jedynym. Para 1/2,-3/2 nie należy do zbioru punktów dopuszczalnych.

Twierdzenie 4.5 jest szczególnie użyteczne przy maksymalizacji funkcji wypukłej na zbiorach wielościennych:

Definicja 4.5

Zbiór W⊂Rn nazwiemy zbiorem wielościennym, jeśli jest przecięciem skończonej rodziny półprzestrzeni, tzn.

W=x∈Rn:piT⁢x≤αi,⁢i=1,…,m,

gdzie pi∈Rn, pi≠0 i αi∈R.

Rys. 4.4. Zbiory wielościenne. Ciemnymi kropami zaznaczone są punkty ekstremalne.

Łatwo można zauważyć, że punktami ekstremalnymi ograniczonych zbiorów wielościennych są ,,wierzchołki” (patrz rys. 4.4).

Lemat 4.5

Zbiór wielościenny jest domknięty i wypukły.

Dowód

Zbiór wielościenny jest domknięty i wypukły jako przecięcie rodziny zbiorów domkniętych i wypukłych.

∎
Przykład 4.3

Rozważmy problem optymalizacyjny

x12+x22→max,x1+3⁢x2≤12,5⁢x1+x2≤18,3⁢x1+2⁢x2≥8.
Rys. 4.5. Zbiór punktów dopuszczalnych. Punkty ekstremalne zaznaczone dużymi kropkami.

Funkcja celu jest wypukła, zaś zbiór punktów dopuszczalnych jest wielościenny. Jego punkty ekstremalne to 0,4T, 3,3T i 4,-2T, patrz rysunek 4.5. Wartość funkcji celu w tych punktach wynosi odpowiednio: 16, 18 i 20. Rozwiązaniem jest zatem punkt 4,-2T. Można łatwo dowieść, że jest to jedyne rozwiązanie tego problemu.

4.4. Zadania

Ćwiczenie 4.1

Udowodnij, że zbiór rozwiązań globalnych zagadnienia (4.1) jest wypukły dla wypukłego zbioru W⊂Rn i wypukłej funkcji f:W→R.

Ćwiczenie 4.2

Rozważmy zagadnienie (4.1) dla wypukłego zbioru W⊂Rn i wypukłej funkcji f:W→R. Wykaż, że ścisłe rozwiązanie lokalne jest jedynym rozwiązaniem globalnym.

Ćwiczenie 4.3

Udowodnij: Niech W⊂Rn wypukły oraz g,h:W→R różniczkowalne. Jeśli zachodzi jeden z poniższych warunków:

  • g jest wypukła, g≥0, oraz h jest wklęsła, h>0,

  • g jest wypukła, g≤0, oraz h jest wypukła, h>0,

to f=g/h jest pseudowypukła. Podaj przykład, że f nie jest wypukła.

Ćwiczenie 4.4

Udowodnij: Niech W⊂Rn wypukły oraz g,h:W→R różniczkowalne. Jeśli g jest wypukła i g≤0 oraz h jest wklęsła, h>0, to f=g⁢h jest pseudowypukła.

Ćwiczenie 4.5

Udowodnij, że zbiór minimów funkcji pseudowypukłej f:W→R, gdzie W⊂Rn wypukły, jest zbiorem wypukłym.

Ćwiczenie 4.6

Odpowiedz na następujące pytania:

  1. Czy suma funkcji pseudowypukłych jest pseudowypukła?

  2. Czy jeśli funkcje g1,g2 są pseudowypukłe w punkcie x oraz D⁢g1⁢x=D⁢g2⁢x=0T, to funkcja g1+g2 jest pseudowypukła w x?

  3. Czy suma funkcji pseudowypukłej i wypukłej jest pseudowypukła?

Odpowiedzi uzasadnij kontrprzykładami lub dowodami.

Ćwiczenie 4.7

Korzystając z tw. 4.2 rozwiąż zadanie

2⁢x+3⁢y→min,x2+2⁢y2≤1.
Ćwiczenie 4.8

Znaleźć rozwiązania zadania

log⁡x1+4+x2→max,x2≥2⁢x1,x2≤4.
Wskazówka: 

Skorzystaj z tw. 4.2.

Ćwiczenie 4.9

Rozwiąż zadanie

ex1-32+x2log⁡x2→min,x2>1,x1∈1,100.
Ćwiczenie 4.10

Udowodnij, że x¯∈W jest punktem ekstremalnym zbioru wypukłego W⊂Rn wtw, gdy W∖x¯ jest zbiorem wypukłym.

Ćwiczenie 4.11

Wykaż, że jeśli w punkcie brzegowym x¯ zbioru wypukłego U istnieje hiperpłaszczyzna podpierająca H, taka że H∩U=x¯, to punkt x¯ jest punktem ekstremalnym U.

Ćwiczenie 4.12

Zbadaj związek pomiędzy subróżniczką funkcji wypukłej w punkcie x¯ a hiperpłaszczyznami podpierającymi epigraf tej funkcji w tym punkcie.

Ćwiczenie 4.13

Znaleźć rozwiązanie zadania

log⁡1x1+4+x2→max,x2≥2⁢x1,x2≤4.
Ćwiczenie 4.14

Rozwiąż problem programowania nieliniowego z ograniczeniami:

log2⁡x1+x2-2⁢x2-2⁢x1-x22+2⁢x2→min,x1≥0,⁢x2≥0,⁢x1+x2≥1,x1-x2+x1≤4.
Ćwiczenie 4.15

([3, Zadania 3.28, 3.29]) Zdefiniujmy f:0,∞n→R najstępująco:

f⁢x=min⁡cT⁢y+xT⁢A⁢y-b:⁢y∈W,

gdzie W jest zbiorem wielościennym, b,c∈Rn, A∈Rn×n.

  1. Wykaż, że f jest wklęsła.

  2. Scharakteryzuj subróżniczkę f.

  3. Znajdź subróżniczkę w punktach x≥0 dla

    A=32-12,⁢b=64,⁢c=-1-2.
Ćwiczenie 4.16

Korzystając z tw. 4.3 rozwiąż następujący problem optymalizacyjny:

x2-6⁢x+y2+2⁢y→min,x+2⁢y-10=0,25-x2-y2≥0.

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.