Zagadnienia

8. Warunek konieczny dla ograniczeń mieszanych

W tym rozdziale wyprowadzimy warunek konieczny pierwszego rzędu dla problemu optymalizacyjnego w następującej formie:

f⁢x→min,gi⁢x≤0,⁢i=1,…,m,hj⁢x=0,⁢j=1,…,l,x∈X,(8.1)

gdzie X⊂Rn jest zbiorem otwartym i f,g1,…,gm,h1,…,hl:X→R. Zbiór punktów dopuszczalnych zadany jest następująco:

W=x∈X:g1⁢x≤0,…,gm⁢x≤0,⁢h1⁢x=0,…,hl⁢x=0.(8.2)

Przypomnijmy, że funkcje gi nazywane są ograniczeniami nierównościowymi, funkcje hj są ograniczeniami równościowymi, zaś cały problem (8.1) nazywa się zadaniem optymalizacyjnym z ograniczeniami mieszanymi.

Przykład 8.1

Rozważmy następujący problem optymalizacyjny:

f⁢x→min,aT⁢x+b=0,x∈Rn,

dla pewnego a∈Rn i b∈R. Ograniczenie równościowe możemy zamienić na dwa ograniczenia nierównościowe:

f⁢x→min,aT⁢x+b≤0,-aT⁢x-b≤0,x∈Rn.

Ograniczenia są afiniczne, czyli w każdym punkcie spełniony jest warunek afiniczności. Jeśli x¯ jest rozwiązaniem lokalnym, to istnieje wektor mnożników Lagrange'a μ=μ1,μ2T i spełnione są warunki Kuhna-Tuckera (5.5):

D⁢f⁢x¯+μ1⁢aT+μ2⁢-aT=0T,μ1⁢aT⁢x+b=0,μ2⁢-aT⁢x-b=0,μ1,μ2≥0.

Punkt x¯ jest dopuszczalny (jako że jest rozwiązaniem), czyli spełnia ograniczenia: aT⁢x+b=0. Stąd trywialnie spełnione są druga i trzecia równość. Możemy zatem powyższe warunki równoważnie zapisać jako:

D⁢f⁢x¯+μ1-μ2⁢aT=0T,μ1,μ2≥0.

Oznaczmy λ=μ1-μ2. Warunki nieujemności μ1,μ2 implikują, że λ∈R. Dostajemy więc finalnie:

D⁢f⁢x¯+λ⁢aT=0T,⁢λ∈R.

Jest to warunek Kuhna-Tuckera dla ograniczeń równościowych.

Powyższy przykład sugerowałby, że teoria dla problemów z ograniczeniami nierównościowymi, zbudowana w poprzednich rozdziałach, pozwala poradzić sobie z ograniczeniami równościowymi. Niestety nie jest to prawda. Ograniczenia afiniczne są szczególnym przypadkiem. Jeśli któreś z ograniczeń równościowych nie jest afiniczne i rozbijemy je na dwie nierówności, jak powyżej, to w żadnym punkcie zbioru W nie jest spełniony ani warunek liniowej zależności ograniczeń ani warunek Slatera.

8.1. Warunek konieczny pierwszego rzędu

Teoria wprowadzana w tym podrozdziale jest prostym rozszerzeniem tego, co już zrobiliśmy dla problemu optymalizacyjnego z ograniczeniami nierównościowymi. Rozpoczniemy od rozszerzenia Tl⁢i⁢n:

Definicja 8.1

Niech x¯∈W, gi różniczkowalne w x¯ dla ograniczeń aktywnych i∈I⁢x¯ oraz hj są różniczkowalne w x¯ dla j=1,…,l. Stożkiem kierunków stycznych dla ograniczeń zlinearyzowanych nazywamy zbiór

Tl⁢i⁢n⁢x¯=d∈Rn:⁢∀i∈I⁢x¯⁢⁢D⁢gi⁢x¯⁢d≤0,⁢∀j=1,…,l⁢⁢D⁢hj⁢x¯⁢d=0.

Podobnie jak poprzednio zauważmy, że stożek kierunków stycznych dla ograniczeń zlinearyzowanych jest zbiorem wielościennym, a zatem wypukłym i domkniętym. Jeśli jest choć jedno ograniczenie równościowe, to ma on puste wnętrze.

Warunek konieczny istnienia rozwiązania lokalnego problemu z ograniczeniami mieszanymi jest sformułowany poniżej. Identycznie jak w twierdzeniu 5.2 zakładamy równość stożka kierunków stycznych dla ograniczeń oryginalnych i zlinearyzowanych. Później uogólnimy warunki regularności, które będą taką równość pociągały.

Twierdzenie 8.1 (Twierdzenia Kuhna-Tuckera)

Niech x¯ będzie rozwiązaniem lokalnym (8.1). Jeśli funkcje f, gi, i∈I⁢x¯, oraz hj, j=1,…,l, są różniczkowalne w x¯ oraz T⁢x¯=Tl⁢i⁢n⁢x¯, to istnieją μ∈0,∞m oraz λ∈Rl takie że

D⁢f⁢x¯+∑i∈I⁢x¯μi⁢D⁢gi⁢x¯+∑j=1lλj⁢D⁢hj⁢x¯=0T,μi⁢gi⁢x¯=0,⁢i=1,2,…,m.(8.3)
Dowód

Na mocy twierdzenia 5.1 mamy D⁢x¯∩T⁢x¯=∅. Dalej, korzystając z założenia, dostajemy D⁢x¯∩Tl⁢i⁢n⁢x¯=∅, co innymi słowy oznacza, że nie istnieje rozwiązanie z∈Rn układu

D⁢f⁢x¯⁢z<0,D⁢gi⁢x¯⁢z≤0,⁢i∈I⁢x¯.D⁢hj⁢x¯⁢z≤0,⁢j=1,…,l,-D⁢hj⁢x¯⁢z≤0,⁢j=1,…,l.(8.4)

Stosujemy lemat Farkasa, lemat 5.3, z d=-D⁢f⁢x¯ i macierzą A następującej postaci:

A=D⁢hj⁢x¯,⁢j=1,…,l-D⁢hj⁢x¯,⁢j=1,…,lD⁢gi⁢x¯,⁢i∈I⁢x¯

Istnieje zatem y∈0,∞I⁢x¯+2⁢l takie że yT⁢A=-D⁢f⁢x¯ lub inaczej

D⁢f⁢x¯+yT⁢A=0T.(8.5)

Zdefiniujmy λj=yj-yl+j, j=1,…,l. Przypiszmy współrzędnym μ odpowiadającym ograniczeniom aktywnym, i∈I⁢x¯, ostatnie I⁢x¯ wartości wektora y. Na pozostałych współrzędnych połóżmy zera. Wówczas równość (8.5) jest równoważna następującej

D⁢f⁢x¯+∑i∈I⁢x¯mμi⁢D⁢gi⁢x¯+∑j=1lλj⁢D⁢hj⁢x¯=0T.

Z definicji μi oczywiste jest, że μi⁢gi⁢x¯=0.

∎

8.2. Warunki regularności

Sformułujemy teraz trzy warunki dostateczne równości T⁢x¯=Tl⁢i⁢n⁢x¯, zwane warunkami regularności.

Definicja 8.2

W punkcie x¯∈W spełniony jest:

  • warunek liniowej niezależności, jeśli funkcje gi, i∉I⁢x¯, są ciągłe w x¯, pozostałe ograniczenia nierównościowe i wszystkie równościowe są klasy C1 na otoczeniu x¯ oraz wektory D⁢gi⁢x¯ dla i∈I⁢x¯ i D⁢hj⁢x¯ dla j=1,…,l są liniowo niezależne,

  • warunek afiniczności, jeśli funkcje gi, i∈I⁢x¯, oraz hj, j=1,…,l, są afiniczne,

  • warunek Slatera, jeśli

    • funkcje gi, i∈I⁢x¯ są pseudowypukłe w x¯, funkcje gi, i∉I⁢x¯, są ciągłe w x¯,

    • funkcje hj, j=1,…,l, są afiniczne,

    • istnieje x∈X, dla którego gi⁢x<0 dla i∈I⁢x¯ oraz hj⁢x=0 dla j=1,…,l.

Zaczniemy od najprostszego przypadku.

Twierdzenie 8.2

Jeśli w punkcie x¯∈W spełniony jest warunek afiniczności, to zachodzi równość T⁢x¯=Tl⁢i⁢n⁢x¯.

Dowód

Postępując jak w przykładzie 8.1 zamieniamy ograniczenia afiniczne równościowe na ograniczenia afiniczne nierównościowe. Teza wynika z twierdzenia 6.1.

∎
Twierdzenie 8.3

Jeśli w punkcie x¯∈W spełniony jest warunek Slatera, to zachodzi równość T⁢x¯=Tl⁢i⁢n⁢x¯.

Dowód

Zapiszmy najpierw funkcje hj dla j=1,…,l:

hj⁢y=ajT⁢y+bj,⁢aj∈Rn,⁢bj∈R.

Wprowadźmy uogólnienie zbioru Ti⁢n⁢t⁢x¯ do przypadku ograniczeń mieszanych:

Ti⁢n⁢t⁢x¯=d∈Rn:⁢∀i∈I⁢x¯⁢⁢D⁢gi⁢x¯⁢d<0,⁢∀j=1,…,l⁢⁢D⁢hj⁢x¯⁢d=0.

(1) Ti⁢n⁢t⁢x¯≠∅. Weźmy punkt x z warunku Slatera. Na mocy pseudowypukłości, patrz uwaga 4.3, mamy

D⁢gi⁢x¯⁢x-x¯<0,⁢∀⁢i∈I⁢x¯.

Dla każdego j mamy także

ajT⁢x-x¯=ajT⁢x+bj-ajT⁢x¯-bj=hj⁢x-hj⁢x¯=0.

Wnioskujemy więc, że wektor x-x¯∈Ti⁢n⁢t⁢x¯.

(2) Ti⁢n⁢t⁢x¯⊂T⁢x¯. W tym celu weźmy dowolny d∈Ti⁢n⁢t⁢x¯. Wystarczy pokazać, że pewien odcinek o końcu x¯ i kierunku d zawiera się w całości w zbiorze W. Rozważmy w tym celu funkcję y⁢λ=x+λ⁢d. Na mocy ciągłości funkcji opisujących ograniczenia nieaktywne istnieje ε>0 taki że gi⁢y⁢λ≤0 dla λ∈0,ε oraz i∉I⁢x¯. Z faktu, że d∈Ti⁢n⁢t⁢x¯ dostajemy również, że hj⁢y⁢λ=0 dla j=1,…,l i dowolnego λ. Pozostaje tylko zająć się ograniczeniami aktywnymi. Z faktu, że gi są różniczkowalne w x¯ dla i∈I⁢x¯ mamy

limλ↓0⁡gi⁢y⁢λ-gi⁢x¯λ=D⁢gi⁢x¯⁢d<0,

gdzie ostatnia nierówność wynika z tego, że d∈Ti⁢n⁢t⁢x¯. A zatem gi⁢y⁢λ-gi⁢x¯<0 dla dostatecznie małych λ.

(3) clTi⁢n⁢t⁢x¯=Tl⁢i⁢n⁢x¯. Zbiory Ti⁢n⁢t⁢x¯ i Tl⁢i⁢n⁢x¯ leżą na hiperpłaszczyźnie H wyznaczonej przez afiniczne ograniczenia liniowe. Możemy zatem znaleźć przekształcenie liniowe P o pełnym rzędzie przekształcające tą hiperpłaszczyznę w przestrzeń Rn′, gdzie n′ jest wymiarem rzeczonej hiperpłaszczyzny (jeśli funkcje hj są parami różne, to n′=n-l). Przekształcenie to jest wzajemnie jednoznaczne rozpatrywane jako funkcja określona na H. A zatem topologie w Rn′ i na H są identyczne. Wystarczy więc udowodnić tezę tego podpunktu na obrazach Ti⁢n⁢t′⁢x¯ i Tl⁢i⁢n′⁢x¯ zbiorów Ti⁢n⁢t⁢x¯ i Tl⁢i⁢n⁢x¯. Zauważmy, że zbiór Ti⁢n⁢t′⁢x¯ jest otwarty. Wykazaliśmy, że jest niepusty. Jest również wnętrzem zbioru Tl⁢i⁢n′⁢x¯. Na mocy lematu 6.1 mamy clTi⁢n⁢t′⁢x¯=Tl⁢i⁢n′⁢x¯.

(4) T⁢x¯⊂Tl⁢i⁢n⁢x¯. Identycznie jak dowód lematu 5.2.

Pozostaje już tylko przypomnieć, że T⁢x¯ jest zbiorem domkniętym. A zatem

clTi⁢n⁢t⁢x¯⊂T⁢x¯⊂Tl⁢i⁢n=clTi⁢n⁢t⁢x¯.
∎

Zanim przejdziemy do rozważań nad trzecim warunkiem regularności, warunkiem liniowej niezależności, przypomnijmy twierdzenie o funkcji uwikłanej, by, korzystając z niego, podać opis stożka kierunków stycznych do powierzchni zadanej przez ograniczenia równościowe.

Twierdzenie 8.4 (Twierdzenie o funkcji uwikłanej)

Niech f:X→Rn, gdzie X⊂Rn+m otwarty, będzie odwzorowaniem klasy Ck. Załóżmy, że f⁢a,b=0, gdzie a,b∈X. Przyjmujemy tutaj notację, że a∈Rn, zaś b∈Rm. Oznaczmy przez Ax macierz pochodnych cząstkowych, w punkcie a,b, względem pierwszych n zmiennych: Ax∈Rn×n zadana jest wzorem Axi⁢j=∂⁡fi∂⁡uj⁢a,b.

Jeśli macierz Ax jest odwracalna, to istnieje zbiór otwarty W⊂Rm zawierający b oraz funkcja g:W→Rn klasy Ck, taka że g⁢y,y∈X dla y∈W, g⁢b=a oraz f⁢g⁢y,y=0 dla y∈W. Ponadto, D⁢g⁢b=-Ax-1⁢Ay, gdzie Ay jest pochodną f w punkcie a,b względem ostatnich m zmiennych: Ay∈Rn×m zadana jest wzorem Ayi⁢j=∂⁡fi∂⁡un+j⁢a,b.

Rozważmy powierzchnię opisaną przez układ m* równań:

S=x∈X:⁢ci⁢x=0,⁢i=1,…,m*,

gdzie X⊂Rn otwarty. Przez TS⁢x¯ oznaczmy stożek kierunków stycznych do S punkcie x¯∈S.

Twierdzenie 8.5

Załóżmy, że funkcje ci, i=1,…,m*, są klasy Ck, k≥1, na otoczeniu x¯ oraz gradienty D⁢ci⁢x¯, i=1,…,m*, są liniowo niezależne. Wówczas

TS⁢x¯=Tl⁢i⁢nS⁢x¯:=d∈Rn:⁢D⁢ci⁢x¯⁢d=0,⁢i=1,…,m*.

Ponadto, dla każdego d∈TS⁢x¯ istnieje ε>0 i krzywa y:-ε,ε→S klasy Ck o tej własności, że y⁢0=x¯ oraz y′⁢0=d.

Dowód

Pokażemy najpierw, że TS⁢x¯⊂Tl⁢i⁢nS⁢x¯. Niech d∈TS⁢x¯. Wówczas d=limk→∞⁡λk⁢xk-x¯ dla xk⊂S, xk≠x. Z definicji pochodnej dostajemy dla każdego i=1,…,m*:

ci⁢xk︸=0=ci⁢x¯︸=0+D⁢ci⁢x¯⁢λn⁢xk-x¯︸→d+λk⁢xk-x¯︸→d⁢o⁢xk-x¯xk-x¯︸→0,

czyli D⁢ci⁢x¯⁢d=0. Stąd wynika, że d∈Tl⁢i⁢nS⁢x¯.

Pozostało jeszcze zawieranie w drugą stronę. Dowód tej części będzie zdecydowanie trudniejszy. Ustalmy d∈Tl⁢i⁢nS⁢x¯. Skonstruujemy krzywą przechodzącą przez x¯ i zawartą w S, której pochodna w punkcie x¯ jest równa d. Oznaczmy c⁢x=c1⁢x,…,cm*⁢x i zdefiniujmy funkcję Φ:Rm*×R→Rm* wzorem

Φ⁢u,t=c⁢x¯+t⁢d+D⁢c⁢x¯T⁢u.

Zauważmy, że Φ⁢0,0=0. Oznaczmy przez Du⁢Φ macierz pochodnych cząstkowych względem zmiennych wektora u: Du⁢Φ=∂⁡Φi∂⁡uji,j=1m*. W 0,0 mamy Du⁢Φ⁢0,0=D⁢c⁢x¯⁢D⁢c⁢x¯T. Przypomnijmy, że zgodnie z założeniem macierz D⁢c⁢x¯ ma maksymalny rząd (równy m*), czyli Du⁢Φ⁢0,0 jest odwracalna. Na mocy twierdzenia o funkcji uwikłanej istnieje zatem ε>0 oraz funkcja u:-ε,ε→Rm* klasy Ck, taka że Φ⁢u⁢t,t=0. Połóżmy

y⁢t=x¯+t⁢d+D⁢c⁢x¯T⁢u⁢t.

Krzywa ta, zgodnie z konstrukcją, leży na powierzchni S, tzn. c⁢y⁢t=0 dla t∈-ε,ε oraz y⁢0=x¯. Różniczkując złożenie c⁢y⁢t dostajemy

dd⁢t⁢c⁢y⁢t=D⁢c⁢y⁢t⁢d+D⁢c⁢x¯T⁢u′⁢t.

czyli w t=0 mamy

dd⁢t⁢c⁢y⁢tt=0=D⁢c⁢x¯⁢d+D⁢c⁢x¯T⁢u′⁢0.

Z drugiej strony wiemy, że c⁢y⁢t=0, czyli powyższa pochodna jest równa zero: D⁢c⁢x¯⁢d+D⁢c⁢x¯T⁢u′⁢0=0. Przypomnijmy, że d∈Tl⁢i⁢nS⁢x¯, co w naszym zapisie oznacza D⁢c⁢x¯⁢d=0. Wynika stąd, że D⁢c⁢x¯⁢D⁢c⁢x¯T⁢u′⁢0=0. Korzystając z faktu, że D⁢c⁢x¯ ma rząd m* dostajemy u′⁢0=0. Jesteśmy już teraz gotowi, aby dokończyć dowód. Różniczkując funkcję y dostajemy

y′⁢t=d+D⁢c⁢x¯T⁢u′⁢t,

co w t=0 daje y′⁢0=d. Możemy stąd już łatwo wywnioskować, że d∈TS⁢x¯.

∎
Uwaga 8.1

Powyższe twierdzenie dowodzi powszechnie znanego faktu dotyczącego przestrzeni stycznej do rozmaitości. Otóż, z założeń wynika, że S jest lokalnie wokół punktu x¯ rozmaitością różniczkową klasy Ck. Przestrzeń styczna do rozmaitości w punkcie x¯ definiowana jest jako zbiór wektorów, które są pochodnymi (w punkcie x¯) krzywych leżących na tej rozmaitości i przechodzących przez x¯ (jest to równoważne definicji T⁢x¯). Równość Tl⁢i⁢n⁢x¯=T⁢x¯ oznacza, że przestrzeń styczna jest jądrem przekształcenia liniowego D⁢c⁢x¯.

Z powyższego twierdzenia będziemy wielokrotnie korzystać w następnych rozdziałach. Będzie ono głównym narzędziem przy dowodzeniu warunku koniecznego drugiego rzędu. W tym rozdziale pozwoli łatwo wykazać równość T⁢x¯=Tl⁢i⁢n⁢x¯ przy założeniu warunku liniowej niezależności.

Twierdzenie 8.6

Jeśli w punkcie x¯∈W spełniony jest warunek liniowej niezależności, to zachodzi równość T⁢x¯=Tl⁢i⁢n⁢x¯.

Dowód

Ustalmy d∈Tl⁢i⁢n⁢x¯. Niech I⌃⁢x¯=i∈I⁢x¯:⁢D⁢gi⁢x¯⁢d=0. Na mocy twierdzenia 8.5 istnieje krzywa y:-ε,ε→Rn, taka że y⁢0=x¯, y′⁢0=d oraz gi⁢y⁢t=0, i∈I⌃⁢x¯, i hj⁢y⁢t=0, j=1,…,l. Ustalmy i∈I⁢x¯∖I⌃⁢x¯. Połóżmy g⌃i⁢t=gi⁢y⁢t, t∈-ε,ε. Wówczas g⌃i′⁢0=D⁢gi⁢x¯⁢d<0, czyli istnieje εi>0, takie że g⌃i⁢t<0 dla t∈0,εi. Z ciągłości, gi⁢y⁢t<0 na pewnym otoczeniu 0 dla i∉I⁢x¯. Podsumowując, istnieje ε¯>0, takie że y⁢t∈W dla t∈0,ε¯. Stąd trywialnie d∈T⁢x¯.

Dowód zawierania T⁢x¯⊂Tl⁢i⁢n⁢x¯ jest identyczny do dowodu lematu 5.2.

∎

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.