Talousmatematiikan perusteet: Luento 15. Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä Lagrangen kerroin ja varjohinta

Samankaltaiset tiedostot
Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä: yksi yhtälörajoitus Lagrangen menetelmä: monta yhtälörajoitusta

Talousmatematiikan perusteet: Luento 14. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot Ääriarvon laadun tarkastelu

Talousmatematiikan perusteet: Luento 13. Rajoittamaton optimointi Hessen matriisi Ominaisarvot ja vektorit Ääriarvon laadun tarkastelu

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 6: Ääriarvojen luokittelu. Lagrangen kertojat.

5 Usean muuttujan differentiaalilaskentaa

Talousmatematiikan perusteet: Luento 12. Lineaarinen optimointitehtävä Graafinen ratkaisu Ratkaisu Excel Solverilla

Talousmatematiikan perusteet: Luento 11. Lineaarinen optimointitehtävä Graafinen ratkaisu Ratkaisu Excel Solverilla

Matematiikan tukikurssi

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

Luento 12: Duaalitehtävä. Tarkennuksia Lagrangen kertoimen tulkintaan. Hajautettu optimointi.

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Laskuharjoitus 4 / vko 40

Talousmatematiikan perusteet: Luento 18. Kertaus luennoista 11-17

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

min x x2 2 x 1 + x 2 1 = 0 (1) 2x1 1, h = f = 4x 2 2x1 + v = 0 4x 2 + v = 0 min x x3 2 x1 = ± v/3 = ±a x 2 = ± v/3 = ±a, a > 0 0 6x 2

1 Rajoittamaton optimointi

1. Etsi seuraavien funktioiden kriittiset pisteet ja tutki niiden laatu: (a.) f(x,y) = 20x 2 +10xy +5y 2 (b.) f(x,y) = 4x 2 2y 2 xy +x+2y +100

Talousmatematiikan perusteet: Luento 13. Usean muuttujan funktiot Osittaisderivaatta ja gradientti Suhteellinen muutosnopeus ja osittaisjousto

Matriisit ja optimointi kauppatieteilijöille P

Matriisit ja optimointi kauppatieteilijöille P

Talousmatematiikan perusteet: Luento 6. Derivaatta ja derivaattafunktio Derivointisääntöjä Ääriarvot ja toinen derivaatta

1 Rajoitettu optimointi I

Luento 12: Duaalitehtävä. Tarkennuksia Lagrangen kertoimen tulkintaan. Hajautettu optimointi.

Talousmatematiikan perusteet: Luento 12. Usean muuttujan funktiot Osittaisderivaatta Gradientti Suhteellinen muutosnopeus ja osittaisjousto

b 1. b m ) + ( 2b Ax) + (b b)

f(x 1, x 2 ) = x x 1 k 1 k 2 k 1, k 2 x 2 1, 0 1 f(1, 1)h 1 = h = h 2 1, 1 12 f(1, 1)h 1 h 2

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos. MS-A0203 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2, kevät 2016

Mikäli funktio on koko ajan kasvava/vähenevä jollain välillä, on se tällä välillä monotoninen.

Matematiikkaa kauppatieteilijöille

Kuva 1: Funktion f tasa-arvokäyriä. Ratkaisu. Suurin kasvunopeus on gradientin suuntaan. 6x 0,2

Oletetaan ensin, että tangenttitaso on olemassa. Nyt pinnalla S on koordinaattiesitys ψ, jolle pätee että kaikilla x V U

Piiri K 1 K 2 K 3 K 4 R R

6. Luennon sisältö. Lineaarisen optimoinnin duaaliteoriaa

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

Tilavuus puolestaan voidaan esittää funktiona V : (0, ) (0, ) R,

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Luento 2: Optimointitehtävän graafinen ratkaiseminen. LP-malli.

Osakesalkun optimointi. Anni Halkola Turun yliopisto 2016

Malliratkaisut Demot

Matematiikan tukikurssi

Luento 4: Lineaarisen tehtävän duaali

Malliratkaisut Demo 4

Taustatietoja ja perusteita

Talousmatematiikan perusteet: Luento 6. Derivaatta ja derivaattafunktio Derivointisääntöjä Ääriarvot ja toinen derivaatta

Matriisit ja optimointi kauppatieteilijöille

1 Rajoitettu optimointi III - epäyhtälörajoitteet, teoriaa

Optimaalisuusehdot. Yleinen minimointitehtävä (NLP): min f(x) kun g i (x) 0 h j (x) = 0

1 Rajoitettu optimointi II - kustannusfunktio, Lagrangen kertoimet varjohintoina

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 5: Gradientti ja suunnattu derivaatta. Vektoriarvoiset funktiot. Taylor-approksimaatio.

Funktion suurin ja pienin arvo DERIVAATTA,

Antti Rasila. Kevät Matematiikan ja systeemianalyysin laitos Aalto-yliopisto. Antti Rasila (Aalto-yliopisto) MS-A0204 Kevät / 16

INFO / Matemaattinen Analyysi, k2016, L0

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Maksimit ja minimit 1/5 Sisältö ESITIEDOT: reaalifunktiot, derivaatta

Vektorilaskenta, tentti

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (CHEM) MS-A0207 Hakula/Vuojamo Kurssitentti, 12.2, 2018, arvosteluperusteet

Talousmatematiikan perusteet: Johdanto. Kurssin tavoitteet Käytännön järjestelyt Suosituksia suorittamiseen

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo Ratkaisut ja pisteytysohjeet

Harjoitus 8: Excel - Optimointi

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 7: Pienimmän neliösumman menetelmä ja Newtonin menetelmä.

Luento 1: Optimointimallin muodostaminen; optimointitehtävien luokittelu

Luento 6: Monitavoitteinen optimointi

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Systeemianalyysin laboratorio. Kimmo Berg. Mat Optimointioppi. 9. harjoitus - ratkaisut

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. 3. Luennon sisältö

Helsingin, Itä-Suomen, Jyväskylän, Oulun, Tampereen ja Turun yliopisto Matematiikan valintakoe klo 10-13

Luento 2: Optimointitehtävän graafinen ratkaiseminen. LP-malli.

Malliratkaisut Demot 6,

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e) A =

1. Lineaarinen optimointi

Malliratkaisut Demo 1

A-osio. Ilman laskinta. MAOL-taulukkokirja saa olla käytössä. Maksimissaan yksi tunti aikaa. Laske kaikki tehtävät:

Luento 9: Newtonin iteraation sovellus: optimointiongelma

Talousmatematiikan perusteet: Luento 11. Lineaarikuvaus Matriisin aste Käänteismatriisi

Optimointi. Mitri Kitti

Luento 1: Optimointimallin muodostaminen; optimointitehtävien luokittelu

Matematiikan perusteet taloustieteilijöille II Harjoituksia kevät ja B = Olkoon A = a) A + B b) AB c) BA d) A 2 e) A T f) A T B g) 3A

Luento 11: Rajoitusehdot. Ulkopistemenetelmät

Malliratkaisut Demot

Malliratkaisut Demot

Lineaarinen optimointitehtävä

, on säännöllinen 2-ulotteinen pinta. Määrää T x0 pisteessä x 0 = (0, 1, 1).

Matematiikan tukikurssi

a) on lokaali käänteisfunktio, b) ei ole. Piirrä näiden pisteiden ympäristöön asetetun neliöruudukon kuva. VASTAUS:

x = (1 t)x 1 + tx 2 x 1 x 2

f(x, y) = x 2 y 2 f(0, t) = t 2 < 0 < t 2 = f(t, 0) kaikilla t 0.

4. Luennon sisältö. Lineaarisen optimointitehtävän ratkaiseminen Simplex-menetelmä

Malliratkaisut Demo 4

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros Johdetaan ensiksi välttämättömät ehdot diskreettiaikaiselle optimisäätötehtävälle.

4 (x 1)(y 3) (y 3) (x 1)(y 3)3 5 3

Matematiikan tukikurssi

ja B = 2 1 a) A + B, b) AB, c) BA, d) A 2, e) A T, f) A T B, g) 3A (e)

Harjoitus 7: vastausvihjeet

Harjoitus 5 ( )

Matematiikan tukikurssi

Malliratkaisut Demot

Luento 10: Optimointitehtävien numeerinen ratkaiseminen; optimointi ilman rajoitusehtoja

Äänekosken lukio Mab4 Matemaattinen analyysi S2016

Mat Dynaaminen optimointi, mallivastaukset, kierros 5

Transkriptio:

Talousmatematiikan perusteet: Luento 15 Rajoitettu optimointi Lagrangen menetelmä Lagrangen kerroin ja varjohinta

Viime luennolla Tarkastelimme usean muuttujan funktioiden rajoittamatonta optimointia: max/min f(x 1,, x n ) Totesimme, että funktion ääriarvo löytyy gradientin nollakohdasta: f x 1,, x n 0 2

Viime luennolla Ääriarvo on Minimi, jos funktion Hessen matriisi on siinä positiividefiniitti Maksimi, jos funktion Hessen matriisi on siinä negatiividefiniitti Definiittisyys voitiin määrittää matriisin ominaisarvoista (ominaisarvot neg./pos. matriisi neg./pos.-definiitti) Kahden muuttujan tapauksessa myös: o Jos det H x 0 > 0 ja 2 f 2 > 0, H on positiividefiniitti pisteessä x 0 o Jos det H x 0 > 0 ja 2 f 2 < 0, H on negatiividefiniitti pisteessä x 0 2.3.2018 3

Tällä luennolla Tarkastelemme usean muuttujan funktioiden yhtälörajoitettua optimointia max/min f(x 1,, x n ) siten, että g 1 x 1,, x n 0 Yksi yhtälörajoitus 4

Rajoitettu optimointi Esim. Synteettisen kalanrehun tuotannossa käytetään kemikaaleja A (x kg/t) ja B (y kg/t). Tuotantoprosessissa rehuun jää lievästi myrkyllistä ainetta, jonka määrän (g/t) riippuvuutta kemikaalimääristä x ja y kuvaa funktio f: R + R + R +, f x, y 17.8x 2 + 71.2y 2 89.0x 320.4y + 523. Millä A:n ja B:n määrillä myrkyn määrä on pienin mahdollinen, kun kemikaaleja tarvitaan yhteensä 7 kg/t? 5

Rajoitettu optimointi Kyseessä on kahden muuttujan rajoitettu optimointitehtävä, jossa on yksi yhtälörajoitus: min f(x, y) siten, että g x, y 0, missä f x, y 17.8x 2 + 71.2y 2 89.0x 320.4y + 523 g x, y x + y 7 Tällainen tehtävä voidaan ratkaista Lagrangen menetelmällä 6

Lagrangen mentelemä Tehtävän min/max f(x 1,, x n ), g x 1,, x n L: R n+1 R 0 Lagrangen funktio on L x 1,, x n, v f x 1,, x n + vg x 1,, x n Alkuperäinen kohdefunktio f + Lagrangen kerroin v Yhtälörajoitusfunktio g Pätee: (x 1,, x n, v ) on tehtävän min/max L x 1,, x n, v optimiratkaisu (x 1,, x n ) on tehtävän min/max f(x 1,, x n ), g x 1,, x n 0 optimiratkaisu 7

Lagrangen menetelmä Rajoitetun optimointitehtävän min/max f(x 1,, x n ), g x 1,, x n 0 ratkaisu saadaan siis ratkaisemalla rajoittamaton optimointitehtävä min/max L x 1,, x n, v Rajoittamattoman funktion L x 1,, x n, v ääriarvo löytyy gradientin nollakohdasta (x 1,, x n, v ) : L x 1,, x n, v 0 Funktion L ääriarvokohdan (x 1,, x n, v ) laatu (minimi/maksimi) voidaan päätellä reunustetusta Hessen matriisista: ഥH v, x 1,, x n v 2 v x n v v 2 x n v x n x n x n 2 0 x n 2 x n x n x n x n 2 8

Lagrangen menetelmä Reunustettu Hessen matriisi on aina indefiniitti, eli ei tässä kerro ääriarvon laadusta Gradientin nollakohdassa on funktion lokaali maksimi, jos ഥH 1 < 0, ഥH 2 > 0, ഥH 3 < 0, ഥH 4 > 0, missä ഥH 1 0 2, ഥH 2 0 x 2 2 x 2 x 2 x 2 2 x 2 jne. Gradientin nollakohdassa on funktion lokaali minimi, jos ഥH 1 < 0, ഥH 2 < 0, ഥH 3 < 0, ഥH 4 < 0, 2.3.2018 9

Lagrangen menetelmä Ehto ഥH 1 2 < 0 toteutuu aina, joten Kahden muuttujan ja yhden yhtälörajoitteen tehtävässä gradientin v, x 1, x 2 nollakohdassa on lokaali Minimi, kun det ഥH v, x 1, x 2 < 0 Maksimi, kun det ഥH v, x 1, x 2 > 0 2.3.2018 10

Lagrangen mentelemän perusperiaate Kahden muuttujan ja yhden yhtälörajoitteen optimointitehtävä min/max f(x 1, x 2 ), g x 1, x 2 0 ratkaistaan 1. Muodostamalla Lagrangen funktio L x 1, x 2, v f x 1, x 2 + vg x 1, x 2 2. Määrittämällä Lagrangen funktion gradientin nollakohta x 1, x 2, v : L x 1, x 2, v 0 3. Muodostamalla reunustettu Hessen matriisi ഥH v, x 1, x 2 0 x 2 x2 1 x 2 x 2 x 2 x2 2 4. Tarkistamalla ääriarvon laatu reunustetun Hessen matriisin determinantin avulla: o Jos det ഥH v, x 1, x 2 > 0, funktio f saavuttaa maksiminsa pisteessä x 1, x 2 o Jos det ഥH v, x 1, x 2 < 0, funktio f saavuttaa miniminsä pisteessä x 1, x 2 2.3.2018 11

Lagrangen menetelmä Esim. On minimoitava myrkyn määrää, kun A:ta ja B:tä on yhteensä 7 kg: min f x, y 17.8x 2 + 71.2y 2 89.0x 320.4y + 523 s. e. g x, y x + y 7 0 Lagrangen funktio: L: R 3 R, L x, y, v 17.8x 2 + 71.2y 2 89.0x 320.4y + 523 + v x + y 7 Gradientin nollakohta: L x, y, v D x (L x, y, v ) D y (L x, y, v ) D v (L x, y, v ) 35.6x 89.0 + v 142.4y 320.4 + v x + y 7 0 0 0 x y v 4.3 2.7 64.08 12

Lagrangen menetelmä Reunustettu Hessen matriisi: ഥH v, x, y 0 x y x x 2 y x y x y y 2 0 1 1 1 D x (35.6x 89.0 + v) D y (35.6x 89.0 + v) 1 D x (142.4y 320.4 + v) D y (142.4y 320.4 + v) 0 1 1 1 35.6 0 1 0 142.4 ഥH det ഥH 0 1 1 1 35.6 0 1 0 142.4 0 35.6 0 0 142.4 1 1 0 1 142.4 + 1 1 35.6 1 0 142.4 35.6 178 < 0 Rajoitettu funktio f x, y saavuttaa pisteessä x, y (4.3, 2.7) minimiarvonsa f 4.3, 2.7 123.39 g/t Vrt. Viime luennolla laskettu rajoittamaton minimi: f 2.5, 2.25 51.3 g/t 13

Lagrangen menetelmä Esim. Tuotannon arvon riippuvuutta työvoimasta x 1 (M ) ja fyysisestä pääomasta x 2 (M ) kuvaa Cobb- Douglas-tuotantofunktio f: f: R + R + R +, f x 1, x 2 2.28x 1 0.38 x 2 0.62 Miten 30 M kannattaa jakaa työvoiman ja pääoman kesken, jotta tuotannon arvo maksimoituisi? 14

Lagrangen menetelmä Maksimoidaan siis funktiota f x 1, x 2 g x 1, x 2 x 1 + x 2 30 0 2.28x 1 0.38 x 2 0.62 siten, että Lagrangen funktio: L x 1, x 2, v 2.28x 1 0.38 x 2 0.62 + v(x 1 + x 2 30) Gradientin nollakohta: L x 1, x 2, v D x1 (L x 1, x 2, v ) D x2 (L x 1, x 2, v ) D v (L x 1, x 2, v ) 2.28 0.38x 1 0.62 x 2 0.62 + v 2.28 0.62x 1 0.38 x 2 0.38 + v x 1 + x 2 30 0 0 0 15

Lagrangen menetelmä Kahdesta ensimmäisestä yhtälöstä: 2.28 0.38x 1 0.62 x 2 0.62 2.28 0.62x 1 0.38 x 2 0.38 x 2 0.62 0.38 x 1 Sijoitetaan kolmanteen yhtälöön: x 1 + 0.62 0.38 x 1 30 x 1 0.38 30 11.4 Tällöin x 2 30 11.4 18.6 ja v 2.28 0.38 11.4 0.62 18.6 0.62 1.1736 Lagrangen funktion gradientin nollakohta on siis pisteessä x 1, x 2, v 11.4, 18.6, 1.1736 Mahdollinen ääriarvokohta funktiolle f x 1, x 2 on x 1, x 2 11.4, 18.6 16

Lagrangen menetelmä Muodostetaan reunustettu Hessen matriisi: ഥH v, x 1, x 2 0 x 2 2 x 2 x 2 x 2 2 x 2 0 1 1 1 D x1 (0.8664x 0.62 1 x 0.62 2 + v) D x2 (0.8664x 0.62 1 x 0.62 2 + v ) 1 D x1 (1.4136x 1 0.38 x 2 0.38 + v ) D x2 (1.4136x 1 0.38 x 2 0.38 + v ) ഥH v, x 1, x 2 0 1 1 1 0.5372x 1.62 0.62 1 x 2 0.5372x 0.62 0.38 1 x 2 1 0.5372x 1 0.62 x 2 0.38 0.5372x 1 0.38 x 2 1.38 0 1 1 1 0.0638 0.0391 1 0.0391 0.0240 det ഥH v, x 1, x 2 0 1 1 1 0.0638 0.0391 1 0.0391 0.0240 0 0.0638 0.0391 0.0391 0.0240 1 1 0.0391 1 0.0240 + 1 1 0.0638 1 0.0391 0.0240 + 0.0391 + 0.0391 + 0.0638 0.16606 > 0 maksimi Pisteessä x 1, x 2 11.4, 18.6 saavutetaan tuotannon maksimiarvo f x 1, x 2 2.28 11.4 0.38 18.6 0.62 35.2 M 17

Presemo-kysymys Määritä funktion f x, y x 2 + y 2 2xy mahdollinen ääriarvokohta, kun x + y 2. 1. x, y 0,2 2. x, y 1,1 3. x, y 2,0 2.3.2018 18

Presemo-kysymys Määritä funktion f x, y x 2 + y 2 2xy reunustettu Hessen matriisi, kun x + y 2. 1. ഥH v, x, y 2. ഥH v, x, y 3. ഥH v, x, y 0 1 1 1 2 2 1 2 2 1 1 1 1 2 2 1 2 2 0 1 1 1 2 2 1 2 2 Laske reunustetun Hessen matriisin determinantti. Onko ääriarvokohdassa (1,1) funktion minimi vai maksimi? 2.3.2018 19

Lagrangen funktion ja alkuperäisen funktion optimiarvot Huomaa, että ehto D v L x 1,, x n, v 0 varmistaa rajoitteen g x 1,, x n 0 toteutumisen: D v L x 1,, x n, v D v f x 1,, x n + vg x 1,, x n g x 1,, x n 0 Ensimmäisessä esimerkissä: D v L x, y, v D v 17.8x 2 + 71.2y 2 89.0x 320.4y + 523 + v x + y 7 x + y 7 0. Toisessa esimerkissä: D v L x 1., x 2, v D v 2.28x 0.38 1 x 0.62 2 + v x 1 + x 2 30 x 1 + x 2 30 0. Tästä syystä alkuperäisen funktion ja Lagrangen funktion optimiarvot ovat samat: L x 1,, x n, v f x 1,, x n + v g x 1,, x n f x 1,, x n 0 2.3.2018 20

Lagrangen kerroin ja varjohinta Usein yhtälörajoitteen voi kirjoittaa muotoon: g x 1,, x n g x 1,, x n c 0, missä c on jokin vakio Ensimmäisessä esimerkissä g x, y x + y 7 g x, y 7 0 missä g x, y x + y Toisessa esimerkissä g x 1, x 2 x 1 + x 2 30 g x 1, x 2 30 0, missä g x 1, x 2 x 1 + x 2 Tällöin L x 1,, x n, v f x 1,, x n + v( g x 1,, x n c), jolloin L c v Lagrangen kertoimen optimiarvon vastaluku v kuvaa siis Lagrangen funktion muutosnopeutta rajoitteen side-ehdon c suhteen Kuinka paljon funktion optimiarvo muuttuu, jos c c + 1? Lagrangen kertoimen vastaluku v on toisin sanoen rajoitteen g x 1,, x n c varjohinta 21

Lagrangen kerroin ja varjohinta Ensimmäisen esimerkin tapauksessa tehtävä oli minimoida myrkyn määrää, kun A:ta ja B:tä oli yhteensä 7 kg: min f x, y 17.8x 2 + 71.2y 2 89.0x 320.4y + 523 s. e. g x, y x + y 7 Optimissa x, y, v (4.3, 2.7, 64.08) Varjohinta v 64.08: Myrkyn määrä kasvaa 64.08 g/t, kun side-ehto (A:n ja B:n yhteismäärä) muuttuu 7 kg/t 8 kg/t 22

Lagrangen kerroin ja varjohinta Toisen esimerkin tapauksessa tehtävänä oli maksimoida tuotannon arvoa, kun työvoimaan ja pääomaan investoitiin yhteensä 30 M max f x 1, x 2 2.28x 1 0.38 x 2 0.62 s. e. g x 1, x 2 x 1 + x 2 30 0 Optimissa x 1, x 2, v 11.4, 18.6, 1.17 Varjohinta v 1.17: Tuotannon arvo kasvaa 1.17 M, kun kokonaisinvestointi kasvaa 30 M 31 M 23

Presemo-kysymys Minimoidaan funktiota f x, y x 2 + y 2 2xy, kun x + y 2. Miten funktion arvo muuttuu, jos rajoitteen side-ehto muuttuu arvosta 2 arvoon 3? 1. Kasvaa yhdellä 2. Pienenee yhdellä 3. Ei muutu 2.3.2018 24