Taustatietoja ja perusteita

Samankaltaiset tiedostot
Luento 8: Epälineaarinen optimointi

Luento 8: Epälineaarinen optimointi

= 2±i2 7. x 2 = 0, 1 x 2 = 0, 1+x 2 = 0.

Derivaatta: funktion approksimaatio lineaarikuvauksella.

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

Matematiikan tukikurssi

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

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

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

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

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

r > y x z x = z y + y x z y + y x = r y x + y x = r

Matematiikan tukikurssi

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

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

2 Osittaisderivaattojen sovelluksia

12. Hessen matriisi. Ääriarvoteoriaa

Luento 9: Yhtälörajoitukset optimoinnissa

Täydellisyysaksiooman kertaus

MATEMATIIKAN ALKEET II (YE19B), SYKSY 2011

DI matematiikan opettajaksi: Täydennyskurssi, kevät 2010 Luentorunkoa ja harjoituksia viikolle 11: ti klo 13:00-15:30

. Kun p = 1, jono suppenee raja-arvoon 1. Jos p = 2, jono hajaantuu. Jono suppenee siis lineaarisesti. Vastaavasti jonolle r k+1 = r k, suhde on r k+1

Luento 10: Optimointitehtävien numeerinen ratkaiseminen; optimointi ilman rajoitusehtoja

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

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

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

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

Matriisilaskenta, LH4, 2004, ratkaisut 1. Hae seuraavien R 4 :n aliavaruuksien dimensiot, jotka sisältävät vain

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

Lineaarikombinaatio, lineaarinen riippuvuus/riippumattomuus

2 Konveksisuus ja ratkaisun olemassaolo

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

Pienimmän neliösumman menetelmä

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

Yhden muuttujan funktion minimointi

Vektorianalyysi I MAT Luennoitsija: Ritva Hurri-Syrjänen Luentoajat: ti: 14:15-16:00, to: 12:15-14:00 Helsingin yliopisto 21.

Ominaisvektoreiden lineaarinen riippumattomuus

Epäyhtälöt ovat yksi matemaatikon voimakkaimmista

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

Matematiikan tukikurssi. Toinen välikoe

YLE11, MATEMATIIKKAA TALOUSTIETEILIJÖILLE

Ratkaisu: Ensimmäinen suunta. Olkoon f : R n R m jatkuva eli kaikilla ε > 0 on olemassa sellainen δ > 0, että. kun x a < δ. Nyt kaikilla j = 1,...

Selvästi. F (a) F (y) < r x d aina, kun a y < δ. Kolmioepäyhtälön nojalla x F (y) x F (a) + F (a) F (y) < d + r x d = r x

1 Lineaariavaruus eli Vektoriavaruus

Konjugaattigradienttimenetelmä

6 Variaatiolaskennan perusteet

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

Luku 2. Jatkuvien funktioiden ominaisuuksia.

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

USEAN MUUTTUJAN FUNKTIOT II. Kari Ylinen

3.3 Funktion raja-arvo

8. Avoimen kuvauksen lause

Matemaattinen Analyysi / kertaus

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

Ratkaisuehdotus 2. kurssikokeeseen

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

x = y x i = y i i = 1, 2; x + y = (x 1 + y 1, x 2 + y 2 ); x y = (x 1 y 1, x 2 + y 2 );

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Ratkaisuehdotus 2. kurssikoe

Paikannuksen matematiikka MAT

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

Matematiikan tukikurssi

Avaruuden R n aliavaruus

KKT: log p i v 1 + v 2 x i = 0, i = 1,...,n.

Matemaattisen analyysin tukikurssi

Liittomatriisi. Liittomatriisi. Määritelmä 16 Olkoon A 2 M(n, n). Matriisin A liittomatriisi on cof A 2 M(n, n), missä. 1) i+j det A ij.

Vektorianalyysi II (MAT21020), syksy 2018

BM20A5840 Usean muuttujan funktiot ja sarjat Harjoitus 1, Kevät 2018

Osakesalkun optimointi

Osoita, että täsmälleen yksi vektoriavaruuden ehto ei ole voimassa.

Numeeriset menetelmät

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

1 Kertaus. Lineaarinen optimointitehtävä on muotoa:

3.2.2 Tikhonovin regularisaatio

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Matematiikka B1 - avoin yliopisto

Funktion raja-arvo ja jatkuvuus Reaali- ja kompleksifunktiot

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

Funktiot. funktioita f : A R. Yleensä funktion määrittelyjoukko M f = A on jokin väli, muttei aina.

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

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

1 Sisätulo- ja normiavaruudet

Likimääräisratkaisut ja regularisaatio

802320A LINEAARIALGEBRA OSA I

Insinöörimatematiikka D

Harjoitus 7: vastausvihjeet

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Matematiikan peruskurssi (MATY020) Harjoitus 10 to

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko.

5 Ominaisarvot ja ominaisvektorit

1 Useamman muuttujan di erentiaalilaskenta

7. Tasaisen rajoituksen periaate

MS-A0202 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (SCI) Luento 4: Ketjusäännöt ja lineaarinen approksimointi

Tehtävä 1. Näytä, että tason avoimessa yksikköpallossa

Duaalisuus kokonaislukuoptimoinnissa. Mat , Sovelletun matematiikan tutkijaseminaari, kevät 2008, Janne Karimäki

Tampereen yliopisto Informaatiotieteiden yksikkö

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

2. Teoriaharjoitukset

Päättelyn voisi aloittaa myös edellisen loppupuolelta ja näyttää kuten alkupuolella, että välttämättä dim W < R 1 R 1

Transkriptio:

Taustatietoja ja perusteita Vektorit: x R n pystyvektoreita, transpoosi x T Sisätulo: x T y = n i=1 x i y i Normi: x = x T x = ni=1 x 2 i Etäisyys: Kahden R n :n vektorin välinen etäisyys x y 1

Avoin pallo: B(x, δ) = {y y x < δ} Sisäpiste: x S R n on S:n sisäpiste, jos δ > 0 s.e. B(x, δ) S Rajoitettu joukko: S rajoitettu, jos 0 < M < s.e. x < M kaikilla x S Suljettu joukko: S suljettu, jos mielivaltaiselle sarjalle x i S, jolle x i x kun i, on x S S suljettu S = cls 2

Konveksi joukko: Joukko S R n on konveksi, jos λx + (1 λ)y S x,y S λ [0,1] Toisin sanoen, jos pisteiden välinen jana kuuluu kokonaan joukkoon Konveksien joukkojen leikkaus on konveksi 3

Konveksi kombinaatio: Vektori x R n on vektoreiden x 1,...,x p R n konveksi kombinaatio, jos on olemassa kertoimet λ 1,..., λ p 0 s.e. p i=1 λ i = 1 ja x = p i=1 λ i x i Lineaarikombinaatio: Jos edellisessä kertoimet λ R ovat mitä tahansa reaalilukuja, niin kyseessä on lineaarikombinaatio 4

Konveksi peite: Joukon S pisteiden konveksien kombinaatioiden joukko on S:n konveksi peite, conv(s) Jos S konveksi, niin conv(s) = S Konveksi peite on on pienin konveksi joukko, joka sisältää joukon S 5

S S S conv(s) conv(s) conv(s) Esimerkkejä konveksista peitteistä 6

Lineaarisesti riippumattomat (LI) vektorit: p i=1 λ i x i = 0 = λ i = 0 i = 1,..., p Lineaarisesti riippuvat (LD) vektorit: λ j 0, 1 j p siten, että p i=1 λ i x i = 0 7

Joukon suunta: S R n epätyhjä, suljettu konveksi joukko. 0 d R n on S:n suunta, jos x S on x + λd S kaikilla λ 0 Suunnat d 1,d 2 S ovat erillisiä, jos d 1 αd 2 millä tahansa α > 0 Sallittu suunta: [0, α ] d sallittu suunta, jos α > 0 s.e. x + αd S kaikilla α Olk. A symmetrinen n n -matriisi. Suunnat d 1,...,d p ovat konjugaattisia (Akonjugaattisia), jos ne ovat LI ja jos (d i ) T Ad j = 0 kaikilla i, j = 1,..., p, i j 8

Jatkossa oletetaan, että kaikki funktiot ovat jatkuvia ellei toisin mainita Unimodaalisuus: Funktio f : R n R on unimodaalinen välillä [a, b], jos jollekin pisteelle x (a, b) pätee, että f(x) on aidosti vähenevä välillä [a, x ) ja aidosti kasvava välillä (x, b] 9

Konveksi funktio: konveksi, jos Olkoon S R n konveksi joukko. Funktio f : S R on f(λx + (1 λ)y) λf(x) + (1 λ)f(y) x,y S λ [0,1] Konveksien funktioiden summa on konveksi Konveksi funktio kerrottuna positiivisella vakiolla on konveksi Konveksi funktio on jatkuva (mutta ei välttämättä differentioituva) Lineaarinen funktio on konveksi 10

Aidosti konveksi funktio: on konveksi, jos Olkoon S R n konveksi joukko. Funktio f : S R f(λx + (1 λ)y) < λf(x) + (1 λ)f(y) x,y S, x y λ (0,1) Konkaavi funktio: konveksi Funktio f on (aidosti) konkaavi, jos funktio f on (aidosti) 11

Differentioituvuus: Funktio f on differentioituva pisteessä x, jos vektori f(x) R n ja funktio ε : R n R s.e. f( x) = f(x) + f(x) T ( x x) + x x ε(x, x x) kaikilla x, missä f(x) on f:n gradientti x:ssä ja ε(x, x x) 0, kun x x Gradientti koostuu osittaisderivaatoista ( f(x) f(x) =,..., f(x) x 1 x n ) T 12

f differentioituva ja osittaisderivaatat jatkuvia f jatkuvasti differentioituva (f C 1 (R n )) Suuntaderivaatta: Funktion f suuntaderivaatta pisteessä x suuntaan d on f (x,d) = lim h 0 f(x + hd) f(x) h Huomaa, että f (x,d) = f(x) T d 13

Apulause: Olkoon f : S R differentioituva ja S R n konveksi. Tällöin f on konveksi, joss kaikilla x ja x S on f(x) f( x) + f( x) T (x x). Todistus: Helppo, katso moniste. Apulause: Olkoon S R n epätyhjä, avoin konveksi joukko ja f : S R diffva S:ssä. Tällöin f on konveksi, joss x 1,x 2 S pätee ( f(x 2 ) f(x 1 )) T (x 2 x 1 ) 0. Todistus: HT 14

Kriittinen piste: Jos f(x ) = 0, niin x on funktion f kriittinen eli vakaa eli stationaarinen piste Apulause: Olkoon f : R n R ja sen osittaisderivaatat jatkuvia. Jos pisteessä x on f:n lokaali minimi tai maksimi, niin f(x ) = 0. Todistus: HT 15

Lokaali Lipschitz-jatkuvuus: Funktio f : R n R on lokaalisti Lipschitz-jatkuva pisteessä x R n, jos luvut K > 0 ja δ > 0 s.e. f(x 1 ) f(x 2 ) K x 1 x 2 x 1,x 2 B(x, δ). K on ns. Lipshitz-vakio Jos funktio on f : R n R on lokaalisti Lipschitz-jatkuva pisteessä x, niin f on jatkuva pisteessä x 16

Lause: Olkoon f : R n R jatkuvasti differentioituva pisteessä x. Tällöin f on lokaalisti Lipschitz-jatkuva pisteessä x. Todistus: Jva diffvuus tarkoittaa, että derivaattakuvaus f( ) jatkuvien lineaarikuvausten avaruuteen on jva pisteen x ympäristössä δ > 0 ja L > 0 s.e. f(w) L w B(x, δ). 17

Olk. x,y B(x, δ). Väliarvolause z (x,y) B(x, δ) s.e. Silloin f(x) f(y) = f(z) T (x y). f(x) f(y) f(z) x y L x y. 18

Jos funktio f : R n R on konveksi, niin f on lokaalisti Lipschitz-jatkuva jokaisessa pisteessä x R n ja sillä on olemassa suuntaderivaatta f (x,d) jokaiseen suuntaan d R n Funktion ei tarvitse olla differentioituva ollakseen lokaalisti Lipschitz-jatkuva Lause (Rademacher): melkein kaikkialla. Lokaalisti Lipschitz-jatkuva funktio on differentioituva 19

Kahdesti differentioituvuus: Funktio f on kahdesti differentioituva (f C 2 (R n )) pisteessä x, jos on olemassa vektori f(x) ja symmetrinen n n -matriisi H(x), ns. Hessen matriisi, ja funktio ε : R n R s.e. f( x) = f(x)+ f(x) T ( x x)+ 1 2 ( x x)t H(x)( x x)+ x x 2 ε(x, x x) kaikilla sallituilla x, missä ε(x, x x) 0, kun x x. 20

Hessen matriisi koostuu toisen asteen osittaisderivaatoista eli H(x) = 2 f(x) x 2 1..... 2 f(x) x n x 1 2 f(x) x 1 x n 2 f(x) x 2 n Jatkossa objektifunktion f Hessen matriisia merkitään H:lla ja muiden funktioiden Hessen matriiseja 2 :lla 21

Olkoon M symmetrinen n n -matriisi. Semidefiniittisyys: x R n M on positiivisesti semidefiniitti, jos x T Mx 0 kaikilla Definiittisyys: M on positiivisesti definiitti, jos x T Mx > 0 kaikilla 0 x R n M on negatiivisesti semidefiniitti, jos x T Mx 0 kaikilla x R n Indefiniittisyys: semidefiniitti M on indefiniitti, jos se ei ole positiivisesti eikä negatiivisesti 22

Lause: Olkoon S R n epätyhjä, avoin konveksi joukko ja olkoon f : S R kahdesti differentioituva funktio S:ssä. Funktio f on konveksi joss sen Hesen matriisi on positiivisesti semidefiniitti kaikissa S:n pisteissä. 23