Ïðèìåíåíèå îïòèìèçàöèîííûõ ìåòîäîâ äëÿ ðåøåíèÿ îáðàòíîé çàäà÷è ñåéñìîðàçâåäêè
Êèíåìàòè÷åñêèå è äèíàìè÷åñêèå îáðàòíûå çàäà÷è ñåéñìîðàçâåäêè. Âåðîÿòíîñòü ñõîæäåíèÿ ãðàäèåíòíûõ ìåòîäîâ ê ãëîáàëüíîìó ýêñòðåìóìó. Ïðèìåíåíèå àïïðîêñèìàöèè â ìåòîäå äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè. Èñïîëüçîâàíèå ïàðàëëåëüíûõ âû÷èñëåíèé â ìåòîäàõ îïòèìèçàöèè.
Ðóáðèêà | Ìàòåìàòèêà |
Âèä | äèïëîìíàÿ ðàáîòà |
ßçûê | ðóññêèé |
Äàòà äîáàâëåíèÿ | 31.01.2019 |
Ðàçìåð ôàéëà | 72,4 K |
Îòïðàâèòü ñâîþ õîðîøóþ ðàáîòó â áàçó çíàíèé ïðîñòî. Èñïîëüçóéòå ôîðìó, ðàñïîëîæåííóþ íèæå
Ñòóäåíòû, àñïèðàíòû, ìîëîäûå ó÷åíûå, èñïîëüçóþùèå áàçó çíàíèé â ñâîåé ó÷åáå è ðàáîòå, áóäóò âàì î÷åíü áëàãîäàðíû.
Ðàçìåùåíî íà http://www.allbest.ru/
ÌÈÍÈÑÒÅÐÑÒÂÎ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈß È ÍÀÓÊÈ ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÔÅÄÅÐÀÖÈÈ ÌÎÑÊÎÂÑÊÈÉ ÔÈÇÈÊÎ-ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÉ ÈÍÑÒÈÒÓÒ (ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ)
Ôàêóëüòåò óïðàâëåíèÿ è ïðèêëàäíîé ìàòåìàòèêè Êàôåäðà èíôîðìàòèêè (Ñïåöèàëèçàöèÿ 010956 «Ìàòåìàòè÷åñêèå è èíôîðìàöèîííûå òåõíîëîãèè»)
ÌÀÃÈÑÒÅÐÑÊÀß ÄÈÑÑÅÐÒÀÖÈß
Ïðèìåíåíèå îïòèìèçàöèîííûõ ìåòîäîâ äëÿ ðåøåíèÿ îáðàòíîé çàäà÷è ñåéñìîðàçâåäêè
ÁÀÁÈ×Å ÄÌÈÒÐÈÉ ÑÅÐÃÅÅÂÈ×
Íàó÷íûé ðóêîâîäèòåëü: ÷ëåí-êîððåñïîíäåíò ÐÀÍ,
äîêòîð ôèçèêî-ìàòåìàòè÷åñêèõ íàóê,
ïðîôåññîð È. Á. Ïåòðîâ
ÌÎÑÊÂÀ 2014
Ñîäåðæàíèå
Ñïèñîê ñîêðàùåíèé
Ââåäåíèå
1. Îáçîð îñíîâíûõ ìåòîäîâ è ìîäåëåé
1.1 Ìîäåëü ïðÿìîé çàäà÷è ñåéñìîðàçâåäêè
1.2 Îñîáåííîñòè çàäà÷è
2. Ìåòîäû ðåøåíèÿ ýêñòðåìàëüíûõ çàäà÷
2.1 Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû
2.1.1 Ìåòîä ëîêàëüíîãî ãðàäèåíòíîãî ñïóñêà
2.1.2 Ìåòîä êîîðäèíàòíîãî ñïóñêà
2.1.3 Ìåòîä Ïàóýëëà
2.1.4 Ìåòîä ñîïðÿæ¸ííûõ ãðàäèåíòîâ
2.1.5 Âåðîÿòíîñòü ñõîæäåíèÿ ãðàäèåíòíûõ ìåòîäîâ ê ãëîáàëüíîìó ýêñòðåìóìó
2.2 Ñòîõàñòè÷åñêèå ìåòîäû
2.2.1 Ìåòîä ðîÿ ÷àñòèö
2.3 Ýâîëþöèîííûå ìåòîäû
2.3.1 Ìåòîä äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè
2.3.2 Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ìåòîäà ÄÝ
2.3.3 Ïðèìåíåíèå àïïðîêñèìàöèè â ìåòîäå äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè
2.3.4 Íàõîæäåíèå ïðîãíîñòè÷åñêèõ òî÷åê
2.3.5 Ðåçóëüòàòû ìîäåëüíûõ ýêñïåðèìåíòîâ ñðàâíåíèÿ ìåòîäîâ ÄÝ è ÄÝÀ
3. Ïðàêòè÷åñêîå ïðèìåíåíèå
3.1 Èñïîëüçîâàíèå ïàðàëëåëüíûõ âû÷èñëåíèé â ìåòîäàõ îïòèìèçàöèè
3.2 Ñðàâíåíèå ïðàêòè÷åñêîé ðåàëèçàöèè ìåòîäîâ
3.2.1 Âû÷èñëèòåëüíàÿ ñèñòåìà, èñïîëüçîâàííàÿ äëÿ ðàñ÷¸òîâ
3.2.2 Ìåòîä ëîêàëüíîãî ãðàäèåíòíîãî ñïóñêà
3.2.3 Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû
3.2.4 Ìåòîä ðîÿ ÷àñòèö
3.3 Ðåøåíèå îáðàòíîé çàäà÷è ñåéñìîðàçâåäêè
3.3.1 Ðåøåíèå ïåðåáîðíûìè ìåòîäàìè
3.3.2 Ðåøåíèå ãðàäèåíòíûìè ìåòîäàìè
3.3.3 Ðåøåíèå ìåòîäîì äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè
Çàêëþ÷åíèå
Ñïèñîê èñïîëüçîâàííûõ ìàòåðèàëîâ
Ñïèñîê ñîêðàùåíèé
ÄÝ -- äèôôåðåíöèàëüíàÿ ýâîëþöèÿ ÀÄÝ -- àïïðîêñèìèðîâàííàÿ äèôôåðåíöèàëüíàÿ ýâîëþöèÿ ÄÏÔ -- äèñêðåòíîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå ÁÏÔ -- áûñòðîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå ÌÐ× -- ìåòîä ðîÿ ÷àñòèö ÑÂÔ -- ñëîæíî âû÷èñëèìàÿ ôóíêöèÿ ÖÔ -- öåëåâàÿ ôóíêöèÿ
Ââåäåíèå
ñåéñìîðàçâåäêà ãðàäèåíòíûé àïïðîêñèìàöèÿ âû÷èñëåíèå
Ïðÿìûå çàäà÷è ñåéñìîðàçâåäêè Äëÿ ðåøåíèÿ ïðÿìîé çàäà÷è áûëà èñïîëüçîâàíà ïðîãðàììà tritask, ðàçðàáîòàííàÿ íà êàôåäðå èíôîðìàòèêè ÌÔÒÈ, èñïîëüçóþùàÿ ðåçóëüòàòû, èçëîæåííûå â [4], [9], [10], [13] 0.2. Îáðàòíûå çàäà÷è ñåéñìîðàçâåäêè Îáðàòíûå çàäà÷è ñåéñìîðàçâåäêè ìîæíî ðàçäåëèòü íà êèíåìàòè÷åñêèå è äèíàìè÷åñêèå.  êèíåìàòè÷åñêèõ çàäà÷àõ èñõîäíûìè äàííûìè ÿâëÿþòñÿ âðåìåíà ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëí è ñêîðîñòè ñðåäû.  äèíàìè÷åñêèõ çàäà÷àõ ê ýòèì äàííûì ìîãóò äîáàâëÿòüñÿ åù¸ òåíçîð íàïðÿæ¸ííîñòåé Êîøè èëè äðóãèå õàðàêòåðèñòèêè âîëí, â çàâèñèìîñòè îò ðàññìàòðèâàåìîé ìîäåëè. Áîëüøèíñòâî òàêèõ çàäà÷ ÿâëÿþòñÿ íåêîððåêòíûìè çàäà÷àìè [11]. Äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è èñïîëüçóåòñÿ ìîäåëü äâóõñëîéíîé ñðåäû ñ íàêëîííîé ëèíèåé ðàçäåëà. Ÿ ìîæíî ðåøàòü ìåòîäîì îòðàæ¸ííûõ âîëí èëè ìåòîäîì ïðåëîìë¸ííûõ âîëí. Çàäà÷à â òàêîé ïîñòàíîâêå ÿâëÿåòñÿ êîððåêòíîé, è ïî÷òè ëþáîé ïðèìèòèâíûé ìåòîä äà¸ò õîðîøèå ðåçóëüòàòû.
Òàêæå ìîæíî ðàññìàòðèâàòü çàäà÷ó ñ ìíîãîñëîéíîé ñðåäîé, è ðåøàòü å¸ ñ ïîìîùüþ ìåòîäà ðåôðàãèðîâàííûõ âîëí: ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ êàæäîãî ñëîÿ âîëíà ïîâîðà÷èâàåò íà íåêîòîðûé óãîë, è â êîíöå êîíöîâ ðàçâîðà÷èâàåòñÿ è âûõîäèò îáðàòíî.  òàêîé ïîñòàíîâêå çàäà÷à êîððåêòíîé óæå íå áóäåò. Äðóãàÿ ðàñïðîñòðàí¸ííàÿ ìîäåëü - âåðòèêàëüíî-íåîäíîðîäíûå ñðåäû, ïðè ýòîì ïîäðàçóìåâàåòñÿ, ÷òî â êàæäîì îòäåëüíîì ãîðèçîíòàëüíîì ñëîå ñêîðîñòè ïîñòîÿííû.  òàêîé ïîñòàíîâêå çàäà÷à áûëà ðåøåíà â [1] ìåòîäîì ïîëíîãî îáðàùåíèÿ ñåéñìè÷åñêèõ ïîëåé è â [2] ñ ïîìîùüþ àêóñòè÷åñêîãî ïðèáëèæåíèÿ.  [8], [11] ðàññìàòðèâàþòñÿ îáùèå ñëó÷àè íåêîððåêòíûõ è îáðàòíûõ çàäà÷, îäíàêî â äàííîé ðàáîòå ðàññìàòðèâàåòñÿ àëüòåðíàòèâíûé ñïîñîá. 6 Ïóñòü ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ÿâëåíèÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ âåêòîðîì ~m, ïðèíàäëåæàùèì íåêîòîðîìó ïðîñòðàíñòâó ìîäåëèðîâàíèÿ M. Ïóñòü ~d îçíà÷àåò íåêîòîðûå àòðèáóòû ÿâëåíèÿ, ~d ? D, ãäå D - ïðîñòðàíñòâî äàííûõ. [7] Èìååòñÿ íåêîòîðûé îïåðàòîð A, äëÿ êîòîðîãî ~d = A(~m), êîòîðûé ñâÿçûâàåò ïàðàìåòðû ìîäåëè ñ äàííûìè. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ñëîæíîñòü ðåøåíèÿ îáðàòíûõ çàäà÷ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî îáðàòíûé îïåðàòîð A?1 ìîæåò áûòü ëèáî ðàçðûâíûì, ëèáî âîîáùå íå ñóùåñòâîâàòü. Îäíèì èç ñïîñîáîâ ðåøåíèÿ îáðàòíîé çàäà÷è ÿâëÿåòñÿ ïåðåõîä îò ïîèñêà îáðàòíîãî îïåðàòîðà ê íåêîòîðîé çàäà÷å ìèíèìèçàöèè: ~d = A(~m) ? min ~m?M kd ? A(~m)k, ãäå â êà÷åñòâå íîðìû ìîæåò áûòü âçÿòà íàïðèìåð íîðìà L1, L2 èëè L?. Òàêèì îáðàçîì ðåøåíèå îáðàòíîé çàäà÷è ñâîäèòñÿ ê ìíîãîêðàòíîìó ðåøåíèþ ïðÿìîé çàäà÷è. Ñðåäó ðàñïðîñòðàíåíèÿ - ãåîëîãè÷åñêóþ ïîðîäó áóäåì ïðèíèìàòü çà ñïëîøíóþ, ëèíåéíî-óïðóãóþ. Äëÿ òàêèõ ñðåä áóäåì èñïîëüçîâàòü çàìêíóòóþ ñèñòåìà óðàâíåíèé [10] îòíîñèòåëüíî ñêîðîñòåé è íàïðÿæåíèé: ñ--ò--ó ñvÿ = ? · ó óÿ = ë(? · ~v)I - µ ? ? ~v - (? ? v) T , ãäå ñ - ïëîòíîñòü ìàòåðèàëà, ~v - ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ñðåäû â äàííîé òî÷êå, ? - ãðàäèåíò ïî ïðîñòðàíñòâåííûì êîîðäèíàòàì, ó - òåíçîð íàïðÿæåíèé Êîøè, ë è µ - ïàðàìåòð Ëÿìå, îïðåäåëÿþùèå ñâîéñòâà óïðóãîãî ìàòåðèàëà, I - åäèíè÷íûé òåíçîð
Äëÿ ðåøåíèÿ ïðÿìîé çàäà÷è äëÿ ñðåä ñ íàëè÷èåì òðåùèí èñïîëüçóåòñÿ 7 àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå çàäà÷è ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëíîâûõ ïîëåé â ïîðîäàõ ñ òðåùèíàìè, îñíîâàííûõ íà óðàâíåíèÿõ òåîðèè óïðóãîñòè. Îñîáåííîñòüþ ðåøåíèÿ äàííîé çàäà÷è ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî, â îòëè÷èå îò êëàññè÷åñêèõ ìåòîäîâ, óäà¸òñÿ îáîéòèñü áåç ââåäåíèÿ ýìïèðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ. Èñïîëüçóåòñÿ óñëîâèå ëèíåéíîãî ïðîñêàëüçûâàíèÿ ïðè ïàäåíèè âîëíîâîãî ôðîíòà íà òðåùèíó, ÷òî ýôôåêòèâíî äåëàåò çàäà÷ó îäíîìåðíîé. Ñëåäóþùàÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé: ñ--ò ó ñ · vÿi = ?j · ói,j, óÿi,j = qijkl · åkl - Fij., ãäå óÿij, åkl - êîìïîíåíòû òåíçîðîâ íàïðÿæåíèÿ è äåôîðìàöèé, ?i - êîâàðèàíòíàÿ ïðîèçâîäíàÿ ïî j-îé êîîðäèíàòå, Fij - äîáàâî÷íàÿ ïðàâàÿ ÷àñòü, qijkl = ëäijäkl - µ(äikäjl - äiläjk), îïðåäåëÿåò óðàâíåíèÿ äâèæåíèÿ è ðåîëîãè÷åñêèå ñîîòíîøåíèÿ.
1. Îáçîð îñíîâíûõ ìåòîäîâ è ìîäåëåé
1.1. Ìîäåëü ïðÿìîé çàäà÷è ñåéñìîðàçâåäêè
Ìû áóäåì ðàññìàòðèâàòü ìîäåëü ñðåäû ñ òðåùèíàìè, à èìåííî - âåêòîð õàðàêòåðèñòèê ìîäåëè ~m áóäåò ñîäåðæàòü 5 ïàðàìåòðîâ: (ðèñóíîê 1.1) h - ãëóáèíà çàëåãàíèÿ òðåùèí, á - óãîë íàêëîíà, d - ðàññòîÿíèå ìåæäó òðåùèíàìè, n - êîëè÷åñòâî òðåùèí, r - äëèíà òðåùèí. Òàêèì îáðàçîì, ~m = (h, á, d, n, r).  êà÷åñòâå âåêòîðà íàáëþäàåìûõ àòðèáóòîâ ÿâëåíèÿ áóäåì ðàññìàòðèâàòü âåðòèêàëüíûå èëè ãîðèçîíòàëüíûå ñêîðîñòè íà X ïðè¸ìíèêàõ, êîòîðûå ðàññòàâëåíû íà ðàññòîÿíèè dh è ïîêàçàíèÿ ñ êîòîðûõ ñíÿòû ÷åðåç ïðîìåæóòêè âðåìåíè dt T ðàç: Vy(~m, xi, tj ) èëè Vx(~m, xi, tj ). Ôóíêöèîíàë íåâÿçêè, èëè, äðóãèìè ñëîâàìè, öåëåâàÿ ôóíêöèÿ, áûëà âûáðàíà, êàê P = k ~d ? A(~m)kL2 - ñóììà êâàäðàòîâ. Äðóãèìè ñëîâàìè, ïóñòü V˜ x(xi, tj ) - íàáîð ñêîðîñòåé, ïîëó÷åííûõ íà ïðè¸ìíèêàõ. Öåëåâàÿ ôóíêöèÿ ìîæåò áûòü âûáðàíà ñëåäóþùèì îáðàçîì:
Px(~m) = X X i=1 X T j=1 V˜ x(xi, tj ) ? Vx(~m, xi, tj ) 2 èëè Py(~m) = X X i=1 X T j=1 V˜ y(xi, tj ) ? Vy(~m, xi, tj )
1.2. Îñîáåííîñòè çàäà÷è
Ðåøàåìàÿ çàäà÷à èìååò ðÿä îñîáåííîñòåé: * áîëüøàÿ îáëàñòü, íà êîòîðîé îïðåäåëåíà öåëåâàÿ ôóíêöèÿ; * íåäèôôåðåíöèðóåìîñòü öåëåâîé ôóíêöèè (èëè ïî êðàéíåé ìåðå, íåâîçìîæíîñòü äîêàçàòü å¸ äèôôåðåíöèðóåìîñòü); 9 r h d á n * áîëüøàÿ âåðîÿòíîñòü íàëè÷èÿ ëîêàëüíûõ ýêñòðåìóìîâ; * öåëåâàÿ ôóíêöèÿ âû÷èñëÿåòñÿ ïðèáëèæ¸ííûìè ìåòîäàìè, ÷òî ïðèâîäèò ê çàøóìë¸ííîñòè ôóíêöèè (íàëîæåíèþ íà çíà÷åíèå öåëåâîé ôóíêöèè ñòîõàñòè÷åñêîé ôóíêöèè ñ áîëüøèì äèàïàçîíîì ñîáñòâåííûõ ÷àñòîò è ìàëîé àìïëèòóäîé); * çíà÷èòåëüíîå âðåìÿ âû÷èñëåíèÿ öåëåâîé ôóíêöèè â îäíîé òî÷êå, è ñîîòâåòñòâåííî åù¸ áîëüøåå âðåìÿ îïðåäåëåíèÿ ïðèáëèæ¸ííîãî ÷èñëåííîãî çíà÷åíèÿ ÷àñòíûõ è ïîëíîé ïðîèçâîäíîé â òî÷êå. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ãëàäêîñòè öåëåâîé ôóíêöèè ïî óçëàì ñåòêè ïàðàìåòðîâ m áûëè ïîñòðîåíû ãðàôèêè çíà÷åíèé öåëåâîé ôóíêöèè äëÿ äâóõ ïîñòàíîâîê çàäà÷: * Çàôèêñèðîâàíû çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ r = 200, n = 7, h = 1000. Äâà ïàðàìåòðà èçìåíÿþòñÿ â ñëåäóþùèõ ãðàíèöàõ: 80 6 á 6 90 è 100 6 l 6 300.  êà÷åñòâå d áûëè âçÿòû äàííûå äëÿ á = 85 è d = 200. Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ïîêàçàíû íà ðèñóíêå 1.2 - â êîîðäèíàòàõ á, d * Çàôèêñèðîâàíû çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ r = 200, h = 1000 ïðè ôèêñèðîâàííîé äëèíå êîðèäîðà, ðàâíîé 1800. Ïàðàìåòðû á è n èçìåíÿþòñÿ â ñëåäóþùèõ ãðàíèöàõ: 80 6 á 6 90, 3 6 n 6 22.  êà÷åñòâå d áûëè âçÿòû äàííûå äëÿ á = 85, n = 12.
Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ïîêàçàíû íà ðèñóíêå 1.3 - â êîîðäèíàòàõ á, n. 10 150 200 250 80 82 84 86 88 90 150 200 250 80 82 84 86 88 90 Ðèñ. 1.2. Öåëåâàÿ ôóíêöèÿ Px(~m) (ñëåâà) è Py(~m) (ñïðàâà) 5 10 15 20 80 82 84 86 88 90 5 10 15 20 80 82 84 86 88 90 Ðèñ. 1.3. Öåëåâàÿ ôóíêöèÿ Px(~m) (ñëåâà) è Py(~m) (ñïðàâà) â ñëó÷àå ïîñòîÿííîé øèðèíû êîðèäîðà 11 Åñëè â äâóõìåðíîì ñëó÷àå ïåðåáîðíûå àëãîðèòìû òðåáóþò O(n 2 ), ïðè øåñòè ïàðàìåòðàõ ñëîæíîñòü èìååò ïîðÿäîê O(n 6 ), ÷òî ïðèâîäèò ê ïðàêòè÷åñêè íåðàçðåøèìîé çàäà÷å.
2. Ìåòîäû ðåøåíèÿ ýêñòðåìàëüíûõ çàäà÷
2.1 Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû
Îñíîâíûå ìåòîäû ïîèñêà ýêñòðåìóìà äåëÿòñÿ íà íàïðàâëåííûå, íåíàïðàâëåííûå è ïåðåáîðíûå. Ñ îáùèì ïðåäñòàâëåíèåì îá ýòèõ ìåòîäàõ, è èõ ðåàëèçàöèåé, ìîæíî îçíàêîìèòüñÿ â [16], [15], [21] 2.1. Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû îòíîñÿòñÿ ê íàïðàâëåííûì ìåòîäàì.  òàêèõ ìåòîäàõ ïðîáíàÿ òî÷êà ïåðåìåùàåòñÿ â äîïóñòèìîé îáëàñòè çíà÷åíèé àðãóìåíòîâ â íàïðàâëåíèè, ñâÿçàííîì ñ àíòèãðàäèåíòîì. Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû õîðîøî ñõîäÿòñÿ, åñëè öåëåâàÿ ôóíêöèÿ ãëàäêàÿ, äèôôåðåíöèðóåìà íà âñåì ïðîñòðàíñòâå ïîèñêà è èìååò îäèí ýêñòðåìóì íà ïðîñòðàíñòâå ïîèñêà. Ïðè ðåøåíèè ãðàäèåíòíûìè ìåòîäàìè çàäà÷ íàõîæäåíèÿ ãëîáàëüíîãî ýêñòðåìóìà ìíîãîïàðàìåòðè÷åñêèõ ñëîæíî âû÷èñëÿåìûõ ôóíêöèé âîçíèêàþò ñëåäóþùèå ïðîáëåìû: * íàõîæäåíèå ãðàäèåíòà ôóíêöèè â òî÷êå òðåáóåò âû÷èñëåíèÿ ïî ìåíüøåé ìåðå 2N çíà÷åíèé ôóíêöèè â òî÷êå, ãäå N-ðàçìåðíîñòü ïðîñòðàíñòâà ïàðàìåòðîâ; * ãðàäèåíòíûå ìåòîäû èìåþò òåíäåíöèþ ñõîäèòüñÿ ê ëîêàëüíûì ìèíèìóìàì öåëåâûõ ôóíêöèé; * äàæå ïðè íàëè÷èè ãëàäêèõ ôóíêöèé ãðàäèåíòíûå ìåòîäû ïðè îïðåäåë¸ííûõ óñëîâèÿõ ìîãóò ïîòðåáîâàòü áîëüøîãî êîëè÷åñòâà èòåðàöèé äëÿ äîñòèæåíèÿ óñëîâèÿ ñõîäèìîñòè; * ãðàäèåíòíûå ìåòîäû ÷óâñòâèòåëüíû ê çàøóìë¸ííîñòè çíà÷åíèé öåëåâîé ôóíêöèè 13 Ðèñ. 2.1. âîçìîæíûå íàïðàâëåíèÿ äâèæåíèÿ
2.1.1. Ìåòîä ëîêàëüíîãî ãðàäèåíòíîãî ñïóñêà
Ýòîò ìåòîä äîñòàòî÷íî ïðîñò.  ñëó÷àå ôóíêöèè n ïåðåìåííûõ çàäà¸òñÿ ðàçìåð øàãà ïî êàæäîìó èç n íàïðàâëåíèé. 1. Âûáèðàåòñÿ ïðîáíàÿ òî÷êà P1 2. Âû÷èñëÿþòñÿ çíà÷åíèÿ öåëåâîé ôóíêöèè â êàæäîé èç 3 n ? 1 ñîñåäíèõ òî÷åê Pi, i ? {2... 3 n} (ðèñóíîê 2.1). 3. Ïóñòü òî÷êà Pm òàêàÿ, ÷òî F(Pm) = min F(Pi), i ? {1... 3 n} 4. Åñëè Pm = P1 òî àëãîðèòì çàêàí÷èâàåòñÿ. 5. Èíà÷å P1 = Pm, ïåðåõîä ê ï. 2  äâóìåðíîì ñëó÷àå íà êàæäîì øàãå òðåáóåòñÿ ïðîâåðèòü 3 2 ? 1 = 8 çíà÷åíèé ôóíêöèè.  èçëîæåííîì âàðèàíòå ìåòîä èñïîëüçóåò ôèêñèðîâàííóþ äëèíó øàãà ïî ñåòêå, ïîýòîìó äîñòàòî÷íî áîëüøàÿ äëèíà øàãà íå ïîçâîëÿåò áëèçêî ïîäîéòè ê òðåáóåìîìó ýêñòðåìóìó, à ñëèøêîì ìàëåíüêàÿ äëèíà øàãà óâåëè÷èâàåò âðåìÿ ðàáîòû àëãîðèòìà. Ðåçóëüòàò òàêæå ñóùåñòâåííî çàâèñèò îò âûáîðà íà÷àëüíîé òî÷êè. Åù¸ îäíèì íåäîñòàòêîì (âïðî÷åì, îáùèì äëÿ âñåõ ãðàäèåíòíûõ ìåòîäîâ) ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ìåòîä ñêëîíåí ñõîäèòüñÿ ê ëîêàëüíûì ìèíèìóìàì è äëÿ íàõîæäåíèÿ ãëîáàëüíîãî ìèíèìóìà òðåáóåòñÿ èñïûòàòü êàêîå-òî êîëè÷åñòâî ïðîáíûõ òî÷åê. Ýòîò ìåòîä áûë ïðèìåí¸í äëÿ ìèíèìèçàöèè çíà÷åíèÿ äâóõìåðíîé ôóíêöèè: â âûáðàííîé ìîäåëè r = 200, n = 7, h = 1000.80 6 á 6 90, 100 6 l 6 300.  êà÷åñòâå d áûëè âçÿòû äàííûå äëÿ á = 85; l = 200.  êà÷åñòâå øàãîâ ïî íàïðàâëåíèþ áûëè âûáðàíû çíà÷åíèÿ, ðàâíûå 1/100 ÷àñòè îò ðàçìåðîâ ðàññìàòðèâàåìîé îáëàñòè îïòèìèçàöèè: äëÿ óãëà äá = 0.1, 14 150 200 250 300 82 84 86 88 90 Ðèñ. 2.2. ðåçóëüòàòû ðàáîòû ìåòîäà ëîêàëüíîãî ãðàäèåíòíîãî ñïóñêà 1 1 1 4 4 4 1 0 1 2 3 4 5 1 1 1 2 3 4 5 2 2 2 3 5 5 Ðèñ. 2.3. îïòèìèçàöèÿ ìåòîäà ëîêàëüíîãî ãðàäèåíòíîãî ñïóñêà äëÿ ðàññòîÿíèÿ ìåæäó òðåùèíàìè äd = 2. Äëÿ òîãî, ÷òîáû óìåíüøèòü âåðîÿòíîñòü ñõîæäåíèÿ ê ëîêàëüíîìó ýêñòðåìóìó, âñÿ îáëàñòü îïòèìèçàöèè áûëà ðàçäåëåíà íà 9 ÷àñòåé, öåíòð êàæäîé èç êîòîðûõ áûë âûáðàí â êà÷åñòâå íà÷àëüíîé ïðîáíîé òî÷êè. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ìîæíî âèäåòü íà ðèñóíêå 2.2.
Âû÷èñëåíèå çíà÷åíèé ôóíêöèè â ñîñåäíèõ òî÷êàõ áûëî îïòèìèçèðîâàíî: íå âû÷èñëÿëèñü çíà÷åíèÿ ôóíêöèè â óæå ïðîñ÷èòàííûõ òî÷êàõ. Ïîýòîìó íà êàæäîì øàãå âû÷èñëÿëîñü íå 8 íîâûõ çíà÷åíèé, à ïðèìåðíî â 2 ðàçà ìåíüøå: ðèñóíîê 2.3. Äàëåå ðàññìîòðèì äðóãèå ãðàäèåíòíûå ìåòîäû: ìåòîä Ïàóýëëà, ìåòîä êîîðäèíàòíîãî ñïóñêà, ìåòîä ñîïðÿæ¸ííûõ ãðàäèåíòîâ. 15
2.1.2 Ìåòîä êîîðäèíàòíîãî ñïóñêà
 ýòîì ìåòîäå â êà÷åñòâå âõîäíîãî ïàðàìåòðà ôèãóðèðóåò òîëüêî íà÷àëüíàÿ òî÷êà: (x 1 0, x2 0,..., xn 0 ) Äàëåå, äâèæåíèå òî÷êè ïðîèñõîäèò ïî ñëåäóþùåìó àëãîðèòìó: ïî î÷åðåäè èùåòñÿ ìèíèìóì îäíîìåðíîé ôóíêöèè ïî êàæäîìó èç íàïðàâëåíèé, íàïðèìåð ïî ìåòîäó çîëîòîãî ñå÷åíèÿ:
(x 1 1, x2 1,..., xn 1 ) = arg min x1 f(x1, x2 0,..., xn 0 ) (x 1 2, x2 2,..., xn 2 ) = arg min x2 f(x 1 1, x2, x3 1..., xn 1 )... (x 1 n, x2 n,..., xn n ) = arg min xn f(x 1 n?1, x2 n?1,..., xn?1 n?1, xn)
Äàëåå ýòà ïðîöåäóðà ïîâòîðÿåòñÿ äî òåõ ïîðà, ïîêà íå âûïîëíèòñÿ óñëîâèå îñòàíîâà: ëèáî çíà÷åíèå ôóíêöèè èçìåíèëîñü ìåíüøå, ÷åì íà å, ëèáî çíà÷åíèå òî÷êè èçìåíèëîñü ìåíüøå, ÷åì íà ä. Òàê êàê, âîîáùå ãîâîðÿ, óíèìîäàëüíîé íå ÿâëÿåòñÿ íè ñàìà ðàññìàòðèâàåìàÿ ôóíêöèÿ, íè ñå÷åíèÿ ïî ëþáîìó àðãóìåíòó, òî ìåòîä çîëîòîãî ñå÷åíèÿ ìîæåò íå ñîéòèñü ê ãëîáàëüíîìó ìèíèìóìó ïî íàïðàâëåíèþ. Ïîýòîìó â êà÷åñòâå ìåòîäà ïîèñêà ìèíèìóìà îäíîìåðíîé ôóíêöèè ìîæíî èñïîëüçîâàòü è äðóãèå ñïîñîáû: íàïðèìåð ïåðåáîðíûé àëãîðèòì ñ ôèêñèðîâàííûì øàãîì, âûáîð íàèìåíüøåãî çíà÷åíèÿ ôóíêöèè ñðåäè íåñêîëüêèõ ñëó÷àéíî áðîøåííûõ òî÷åê (Ìîíòå-Êàðëî), ëèáî ìåòîä ïîëîâèííîãî äåëåíèÿ.
2.1.3 Ìåòîä Ïàóýëëà
Åñòåñòâåííûì îáîáùåíèåì ìåòîäà êîîðäèíàòíîãî ñïóñêà, ÿâëÿåòñÿ ìåòîä Ïàóýëëà. Ïóñòü { ~h i, i ? {1... n}} ? X ? Rn - ìíîæåñòâî ëèíåéíî-íåçàâèñèìûõ âåêòîðîâ èç X - îáëàñòè îïòèìèçàöèè, ~x0 - íà÷àëüíàÿ òî÷êà. 16 1:
while True do 2: for i = 1,..., n do 3: ~xi = ~xi?1 - ë i~h i, ãäå ë i = arg min ëi f(~xi?1 - ë i~h i ) 4: end for 5: for i = 1,..., n ? 1 do 6: ~h i = ~h i - 1 7: end for 8: ~h n = ~xn ? ~x0 9: ë n = arg min ën f(~xn - ë n (~xn ? ~x0 )) 10: ~x0 = ~x0 - ë n (~xn ? ~x0 ) 11: end while
Òî åñòü, ôàêòè÷åñêè, ìåòîä Ïàóýëëà - ýòî ìåòîä, â êîòîðîì ìû îïÿòü èùåì íàèìåíüøåå çíà÷åíèå ôóíêöèè ïî íàïðàâëåíèþ, íî íà ýòîò ðàç íàïðàâëåíèÿ ìåíÿþòñÿ â çàâèñèìîñòè îò çíà÷åíèé ôóíêöèè.  êà÷åñòâå êðèòåðèåâ îñòàíîâà ìîãóò áûòü âûáðàíû òàêèå æå, êàê è â ìåòîäå êîîðäèíàòíîãî ñïóñêà.
2.1.4 Ìåòîä ñîïðÿæ¸ííûõ ãðàäèåíòîâ
Îáîáùàÿ ìåòîä Ïàóýëëà, ïîëó÷àåì ìåòîä ñîïðÿæ¸ííûõ ãðàäèåíòîâ. Äëÿ ýòîãî ââåä¸ì ïîíÿòèå ñîïðÿæ¸ííûõ âåêòîðîâ: âåêòîðû S~ 1,..., S~ n íàçûâàþò ñîïðÿæ¸ííûìè, åñëè ñ--ò--ó S~T i HS~ j = 0, i 6= j, i, j = 1,..., n S~T i HS~ i > 0, i = 1,..., n, ãäå H - ìàòðèöà âòîðûõ ïðîèçâîäíûõ (ìàòðèöà Ãåññå) öåëåâîé ôóíêöèè f(~x) Ôîðìàëèçàöèÿ: Ñíà÷àëà çàäà¸ì íà÷àëüíîå ïðèáëèæåíèå:
~x0, k = 0: 17 1: loop 2: S~j k = ??f(~xk), ~xj k = ~xk 3: for j = 0,..., n ? 2 do 4: ë = arg min ë f(~xj k - ëS~j k ) 5: ~xj - 1 k = ~xj k - ëS~j k 6: ù = k?f(~xj - 1 k )k 2 k?f(~xj k )k 2 7: S~j - 1 k = ??f(~xj - 1 k ) - ùS~j k 8: end for 9: ~xk - 1 = ~xj - 1 k 10: k = k - 1 11: end loop
2.1.5 Âåðîÿòíîñòü ñõîæäåíèÿ ãðàäèåíòíûõ ìåòîäîâ ê ãëîáàëüíîìó ýêñòðåìóìó
Ïðè èñïîëüçîâàíèè ãðàäèåíòíûõ ìåòîäîâ ãëîáàëüíûé îïòèìóì ìîæåò áûòü íàéäåí ãàðàíòèðîâàíî òîëüêî äëÿ âûïóêëûõ ôóíêöèé. Ïðè íåâûïóêëûõ ôóíêöèÿõ, ñëåäîâàòåëüíî, ñîäåðæàùèõ ëîêàëüíûå ýêñòðåìóìû, îòëè÷íûå îò ãëîáàëüíîãî, â ìíîæåñòâå òî÷åê ïðîñòðàíñòâà ïàðàìåòðîâ Vfull áóäåò ñóùåñòâîâàòü íåêîòîðîå êîëè÷åñòâî ïîäìíîæåñòâ íà÷àëüíûõ òî÷åê, êîòîðûå ñõîäÿòñÿ ê ëîêàëüíûì ýêñòðåìóìàì. Ñõîæäåíèÿ èòåðàòèâíîãî ïðîöåññà ãðàäèåíòíîãî ìåòîäà òðåáóåòñÿ, ÷òîáû íà÷àëüíàÿ òî÷êà ïðèíàäëåæàëà ñîîòâåòñòâóþùåìó ìíîæåñòâó Vext. Òàêèì îáðàçîì, ïðîöåññ íàõîæäåíèÿ ãëîáàëüíîãî ýêñòðåìóìà åñòü âåðîÿòíîñòíûé ïðîöåññ è âåðîÿòíîñòü íàõîæäåíèÿ ãëîáàëüíîãî ýêñòðåìóìà åñòü ôóíêöèÿ îò êîëè÷åñòâà íà÷àëüíûõ ïðîáíûõ òî÷åê M (óñëîâèå ñëó÷àéíîñòè ïîðîæäåíèÿ íà÷àëüíîé òî÷êè ÿâëÿåòñÿ îáÿçàòåëüíûì) è îòíîøåíèÿ ðàçìåðà ìíîæåñòâ pext = Vext/Vfull è ðàâíà psolve = 1 ? 1 ? Vext VfullM. 18 Íàïðèìåð, åñëè îòíîøåíèå pext = 0.1, òî ïðè 20 ïðîáíûõ òî÷êàõ pext = 1 ? 0.9 20 = 0.888.
2.2 Ñòîõàñòè÷åñêèå ìåòîäû
2.2.1 Ìåòîä ðîÿ ÷àñòèö
Ýòîò ìåòîä îïòèìèçàöèè îñíîâàí íà ìîäåëè ðîÿ, â êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè åñòü íåêîòîðàÿ ïîïóëÿöèÿ ÷àñòèö, íàçûâàåìàÿ ðîåì, êîòîðûé äâèãàåòñÿ è ìåíÿåòñÿ ñîãëàñíî íåêîòîðûì ïðîñòûì çàêîíàì. Ýòè ïåðåìåùåíèÿ óäîâëåòâîðÿþò ïðèíöèïó îïòèìàëüíîñòè: åñëè ïîëó÷åííîå ïîëîæåíèå ÿâëÿåòñÿ äëÿ ÷àñòèöû áîëåå âûãîäíûì, îíà äâèãàåòñÿ â óêàçàííîì íàïðàâëåíèè. Ïóñòü îïòèìèçèðóåìàÿ ôóíêöèÿ íàõîäèòñÿ â ìíîæåñòâå G ? R n Ïóñòü ðîé ñîäåðæèò N ÷àñòèö, äëÿ êàæäîé èç êîòîðûõ îïðåäåëåíà êîîðäèíàòà ~xi è ñêîðîñòü ~vi. Òàêæå ââåä¸ì ïàðàìåòðû: ~pi - íàèëó÷øåå èçâåñòíîå ïîëîæåíèå ÷àñòèöû, è ~g - íàèëó÷øåå èçâåñòíîå ïîëîæåíèå ðîÿ. Òîãäà àëãîðèòì ÌÐ× áóäåò âûãëÿäåòü ñëåäóþùèì îáðàçîì:
for i = 1,..., N do ~xi ? U(G) 3: ~pi = ~xi if f(~pi) < f(~gi) then ~g = ~pi 6: end if ~vi ? U(diam(G) n ) end for 9: loop for i = 1,..., N do ~rg, ~rp ? U(0, 1) 12: ~vi = ù~vi - ?p~rp × (~pi ? ~xi) - ?g~rg × (~g ? ~xi) 19 ~xi = ~xi - ~vi if f(~xi) < f(~pi) then 15: ~pi = ~xi if f(~pi) < f(~g) then ~g = ~pi 18: end if end if end for 21: end loop
×èñëà ù, ?p, ?g - ÿâëÿþòñÿ ïàðàìåòðàìè ìåòîäà.
2.3 Ýâîëþöèîííûå ìåòîäû
Ýâîëþöèîííûå ìåòîäû èñïîëüçóþò ýëåìåíòû ñëó÷àéíîãî ïîèñêà â ïðîñòðàíñòâå çàäà÷è ñ ïðèâíåñåíèåì ýëåìåíòîâ äåòåðìèíèðîâàííîñòè. Ñóòü ýâîëþöèîííûõ ìåòîäîâ - îòáîð íàèëó÷øèõ îáúåêòîâ. Âðåìÿ ïîèñêà ýêñòðåìóìà ïî ñðàâíåíèþ ñ ÷èñòî ñòîõàñòè÷åñêèìè ìåòîäàìè ìîæåò áûòü óìåíüøåíî íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ. Äåòåðìèíèðîâàííîñòü çàêëþ÷àåòñÿ â ìîäåëèðîâàíèè ïðèðîäíûõ ïðîöåññîâ îòáîðà, ðàçìíîæåíèÿ è íàñëåäîâàíèÿ, ïðîèñõîäÿùèõ ïî îïðåäåëåííûì ïðàâèëàì.  êà÷åñòâå ñëó÷àéíîãî ýëåìåíòà âûñòóïàåò, íàïðèìåð, ìóòàöèÿ.  ðàáîòå [14] âïåðâûå â ëèòåðàòóðå áûë îïèñàí ìåòîä äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè. Îòíîñèòåëüíî ñîâðåìåííîå (2009 ã.) ïðåäñòàâëåíèå îá íåéðîñåòåâûõ, â ÷àñòíîñòè, ýâîëþöèîííûõ ìåòîäàõ, ìîæíî ïîëó÷èòü â [17].
2.3.1 Ìåòîä äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè
Ãåíåðàöèÿ íà÷àëüíîé ïîïóëÿöèè. Ïåðâûé øàã: âûáèðàåòñÿ N ïðîèçâîëüíûõ âåêòîðîâ X1, X2,..., XN èç ïðîñòðàíñòâà RN, â êîòîðîì íàõîäèòñÿ öåëåâàÿ ôóíêöèÿ, òðåáóþùàÿ ìèíè20 ìèçàöèè, íàçûâàåìûå íà÷àëüíîé ïîïóëÿöèåé. Èõ âûáîð îáû÷íî ñâÿçàí ñ ïîñòàíîâêîé çàäà÷è, åñëè èçâåñòåí àïðèîðíûé âèä ôóíêöèè, èëè å¸ íåêîòîðûå ñâîéñòâà, ëèáî âåêòîðà èìåþò ðàâíîìåðíîå èëè íîðìàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå. ×èñëî N ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ïàðàìåòðîâ ìåòîäà. Âîñïðîèçâîäñòâî ïîòîìêîâ. Øàã ãåíåðàöèè íîâîãî ïîêîëåíèÿ ïðîèñõîäèò: äëÿ ëþáîãî âåêòîðà T èç ñòàðîé ïîïóëÿöèè áåð¸òñÿ òðè ïðîèçâîëüíûõ âåêòîðà èç ýòîãî æå ïîêîëåíèÿ: Xi, Xj, Xk, è ïî íèì âû÷èñëÿåòñÿ ìóòàíòíûé âåêòîð V ïî ôîðìóëå: V = Xi - F(Xj ? Xk). Ïàðàìåòð F - îäèí èç ïàðàìåòðîâ ìåòîäà - ýòî òàê íàçûâàåìàÿ ñèëà ìóòàöèè. Òàêèì îáðàçîì, â ìåòîäå äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè (äàëåå - ÄÝ) èñïîëüçóåòñÿ âíóòðåííèé èñòî÷íèê øóìà - ðàçíîñòü ìåæäó ñëó÷àéíûìè ïðåäñòàâèòåëÿìè ïîêîëåíèÿ. Ìóòàöèÿ. Íà ñëåäóþùåì øàãå ìåòîäà ñ âåêòîðîì V ïðîèçâîäÿòñÿ ìóòàöèè: ââîäèòñÿ òðåòèé ïàðàìåòðà ìåòîäà p - âåðîÿòíîñòü ìóòàöèè, ñ êîòîðîé ïîòîìîê W íàñëåäóåò êàêîé-ëèáî èç ïðèçíàêîâ ðîäèòåëÿ T. Ôàêòè÷åñêè N ðàç ðàçûãðûâàåòñÿ Áåðíóëëèåâñêàÿ ñëó÷àéíàÿ âåëè÷èíà ñ ìàòåìàòè÷åñêèì îæèäàíèåì p: Wi = Ti ñ âåðîÿòíîñòüþ p è Wi = Vi c âåðîÿòíîñòüþ 1?p äëÿ êàæäîãî ïðèçíàêà i = 1,..., n. Òàêèì îáðàçîì, êàæäûé âåêòîð èç ïîïóëÿöèè ïðåòåðïåâàåò ïóòü T > V > W. Îòáîð. Îí ïðîèñõîäèò íà êàæäîì øàãå àëãîðèòìà. Ïîñëå âû÷èñëåíèÿ âåêòîðàïîòîìêà W ñðàâíèâàþòñÿ çíà÷åíèÿ öåëåâîé ôóíêöèè äëÿ íåãî è äëÿ åãî ðîäèòåëÿ T.  íîâîé ïîïóëÿöèè îñòà¸òñÿ òîò, íà êîòîðîì öåëåâàÿ ôóíêöèÿ ïðèíèìàåò ìåíüøåå çíà÷åíèå. Òàêèì îáðàçîì, ðàçìåð ïîïóëÿöèè ïðè ýòîì íå ìåíÿåòñÿ, è êàæäûé ðàç «âûæèâàåò ñèëüíåéøèé», áîëåå ïðèñïîñîáëåííûé âåêòîð. Ðàçóìååòñÿ, ñóùåñòâóåò âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ïîïóëÿöèþ ïîêèíåò âåêòîð, êîòîðûé ÷åðåç íåñêîëüêî ïîêîëåíèé ïðèâ¸ë áû ê ëó÷øåìó ðåçóëüòàòó. Âåðîÿòíîñòü ýòîãî óìåíüøàåò ïðàâèëüíûé âûáîð ðàçìåðà ïîïóëÿöèè. 21 Ðàññìàòðèâàåìûé ìåòîä ïîçâîëÿåò äèíàìè÷åñêè ìîäåëèðîâàòü îñîáåííîñòè ðåëüåôà îïòèìèçèðóåìîé ôóíêöèè.  àëãîðèòìå ÄÝ èñòî÷íèêîì øóìà ÿâëÿåòñÿ ðàçíîñòü ìåæäó ñëó÷àéíî âûáðàííûìè âåêòîðàìè òåêóùåé ïîïóëÿöèè.  ñëó÷àå ñëîæíîãî ðåëüåôà ýòî îñîáåííî àêòóàëüíî, òàê êàê ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ ïîïóëÿöèè âûøå âáëèçè ëîêàëüíûõ ìèíèìóìîâ ôóíêöèè. Ïîÿâëåíèå òî÷åê ïîïóëÿöèè âáëèçè ãëîáàëüíîãî ìèíèìóìà ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ âåðîÿòíîñòè ìèãðàöèè òî÷åê èç çîí ëîêàëüíîãî ìèíèìóìà. Êàê è âñå ýâîëþöèîííûå àëãîðèòìû, ÄÝ î÷åíü çàâèñèò îò ñâîèõ ïàðàìåòðîâ: èíîãäà äàæå íåáîëüøîå èçìåíåíèå êàêîãî-ëèáî ïàðàìåòðà ìîæåò ïðèâåñòè ê óëó÷øåíèþ ðåçóëüòàòà. Åñëè ïîïóëÿöèÿ ìàëà è âðåìÿ âû÷èñëåíèÿ ôèêñèðîâàíî, îíà óñïååò ñîçäàòü áîëüøîå êîëè÷åñòâî ïîêîëåíèé, íî âåðîÿòíîñòü ñõîæäåíèÿ ê ëîêàëüíîìó ýêñòðåìóìó ïîâûøàåòñÿ. Ñëèøêîì áîëüøîé ðàçìåð ïîïóëÿöèè ìîæåò ïðèâåñòè ê òîìó, ÷òî ÷èñëî ïîêîëåíèé ñòàíåò íåäîñòàòî÷íûì äëÿ íàõîæäåíèÿ ãëîáàëüíîãî ýêñòðåìóìà. Âîïðîñ îá òåîðåòè÷åñêè îïòèìàëüíîì ðàçìåðå ïîïóëÿöèè â àëãîðèòìàõ ñ ìóòàöèåé îñòà¸òñÿ îòêðûòûì. Óâåëè÷èâàÿ ñèëó ìóòàöèè F, ìû óâåëè÷èâàåì ñòîõàñòè÷åñêóþ ñîñòàâëÿþùóþ àëãîðèòìà. Ëîêàëüíàÿ ñòðóêòóðà öåëåâîé ôóíêöèè ïðè ýòîì ïðàêòè÷åñêè íå èñïîëüçóåòñÿ. Ñêîðîñòü ñõîäèìîñòè ïðè ýòîì ñèëüíî óìåíüøàåòñÿ.
Ïðè íåáîëüøîé æå ñèëå ìóòàöèè àëãîðèòì ïðèáëèæàåòñÿ ê ãðàäèåíòíûì ìåòîäàì, òàê êàê çà ñ÷åò ïîäñòðîéêè îáëàêà òî÷åê ê ñòðóêòóðå ôóíêöèè îí ôàêòè÷åñêè ñòðîèò ïðèáëèæåíèå ãðàäèåíòà. Ê îñîáåííîñòÿì ýâîëþöèîííûõ àëãîðèòìîâ ìîæíî îòíåñòè: * ñëîæíóþ íàñòðîéêà îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ, îò êîòîðîé çàâèñèò âîçìîæíîå âûðîæäåíèå, ëèáî íåóñòîé÷èâîñòü ðåøåíèÿ; * äëÿ ìíîãîýêñòðåìàëüíûõ ôóíêöèé - ïîïàäàíèå â ëîâóøêè ëîêàëüíûõ ýêñòðåìóìîâ; * èçîëèðîâàííîñòü (ïîèñê èãîëêè â ñòîãå ñåíà). Âïðî÷åì, ýòî ÿâëÿåòñÿ ïðîáëåìîé äëÿ ëþáîãî ìåòîäà îïòèìèçàöèè, òàê êàê ôóíêöèÿ íå äàåò 22 íèêàêîé èíôîðìàöèè, ïîäñêàçûâàþùåé âîçìîæíóþ îáëàñòü îïòèìóìà. Òàê êàê çàðàíåå âûáðàòü îïòèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ðàçìåðà ïîïóëÿöèè, ñèëû ìóòàöèè è ïàðàìåòðîâ îòáîðà, íå ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì, â íàñòîÿùåé ðàáîòå îíè áûëè âûáðàíû èç ñðåäíå-ðåêîìåíäóåìûõ. Ýôôåêòèâíîñòü ðåøåíèÿ ìû áóäåì ïûòàòüñÿ óâåëè÷èâàòü â ïðîöåññå ðàáîòû àëãîðèòìà: ñëåäÿ çà äâèæåíèåì ïîïóëÿöèè ïî ïîëþ ðåøåíèé. Êàê òîëüêî ïîïóëÿöèÿ íà÷àëà ñãóùàòüñÿ â îáëàñòè íåêîòîðîé òî÷êè - ïîòåíöèàëüíîãî ëîêàëüíîãî ìèíèìóìà, íóæíî îöåíèâàòü ïðåäïîëàãàåìîå çíà÷åíèå ýòîãî ìèíèìóìà ïî êàêîé-íèáóäü èíòåðïîëÿöèîííîé ôîðìóëå, è åñëè îíî äîñòàòî÷íî ñèëüíî îòëè÷àåòñÿ îò 0, òî ôèêñèðóåì ïîëó÷åííóþ çîíó, è ñ ïîìîùüþ ìóòàöèè äåëàåì ðàçáðîñ ýòèõ òî÷åê, ñ ó÷¸òîì èññëåäîâàííûõ îáëàñòåé.
2.3.2 Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ìîäåëü ìåòîäà ÄÝ
Ìåòîä äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè ÿâëÿåòñÿ âåðîÿòíîñòíûì ìåòîäîì, ïîýòîìó ïðåäñòàâëÿåòñÿ ëîãè÷íûì ââåñòè ôóíêöèþ ðàñïðåäåëåíèÿ âåðîÿòíîñòè, èëè æå å¸ ïëîòíîñòü [18]. Äëÿ íàøèõ öåëåé òðåáóåòñÿ îïðåäåëèòü, êàêèì îáðàçîì ýòà ôóíêöèÿ ìåíÿåòñÿ ïðè èñïîëíåíèè îäíîãî øàãà ìåòîäà. Ðåøèì äëÿ íà÷àëà ñëåäóþùóþ çàäà÷ó. Ïóñòü äâóìåðíàÿ öåëåâàÿ ôóíêöèÿ f(x, y) ïðèíèìàåò âñåãî òðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿ: f(x, y) = ñ--ôôôò--ôôôó 0, (x, y) ? C0 1, (x, y) ? C1 2, (x, y) ? C2 Òàêèì îáðàçîì, âñÿ îáëàñòü îïðåäåëåíèÿ ôóíêöèè ðàçáèâàåòñÿ íà òðè ìíîæåñòâà: C0, C1, C2. Ïóñòü òåïåðü (x1, y1) - ñëó÷àéíûé âåêòîð ñ ïëîòíîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ ñ1(x, y); (x2, y2) - íåçàâèñèìûé îò íåãî ñëó÷àéíûé âåêòîð ñ ïëîòíîñòüþ ðàñïðåäåëåíèÿ ñ2(x, y). Çàäàäèìñÿ âîïðîñîì, êàêîâà âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî çíà÷åíèå öåëåâîé ôóíêöèè íà ïåðâîì ñëó÷àéíîì âåêòîðå áîëüøå 23 çíà÷åíèÿ öåëåâîé ôóíêöèè íà âòîðîì. Èíûìè ñëîâàìè, íàéä¸ì P{f(x1, y1) > f(x2, y2)}. Äëÿ òîãî, ÷òîáû îïðåäåëèòü âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî çíà÷åíèå öåëåâîé ôóíêöèè íà ïåðâîì ñëó÷àéíîì âåêòîðå ðàâíî 0, íóæíî ïðîèíòåãðèðîâàòü å¸ ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè ïî îáëàñòè C0: P f(x1, y1) = 0 = Z C0 ñ1(x, y)dxdy. Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì îïðåäåëÿòñÿ âåðîÿòíîñòè P f(x1, y1) = 1, P f(x1, y1) = 2 Çàìåòèì òåïåðü, ÷òî
P f(x1, y1) > f(x2, y2) = P f(x1, y1) = 0, f(x2, y2) = 1 - - P f(x1, y1) = 0, f(x2, y2) = 2 - P f(x1, y1) = 1, f(x2, y2) = 2 = = Z C0 Z C1 ñ1(x, y)ñ2(ˆx, yˆ)dxdydxdˆ yˆ - Z C0 Z C2 ñ1(x, y)ñ2(ˆx, yˆ)dxdydxdˆ yˆ - - Z C1 Z C2 ñ1(x, y)ñ2(ˆx, yˆ)dxdydxdˆ yˆ
Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì âåðîÿòíîñòü èùåòñÿ è äëÿ ñëó÷àÿ öåëåâîé ôóíêöèè, ïðèíèìàþùåé êîíå÷íîå ÷èñëî çíà÷åíèé. Òåïåðü ïåðåéä¸ì ê ðàññìîòðåíèþ ïðîèçâîëüíîé ôóíêöèè. Äëÿ ýòîãî ðàññìîòðèì ïðåäñòàâëåíèå ôóíêöèè â âèäå ëèíèé óðîâíÿ: 24 Îïðåäåëåíèå: ìíîæåñòâî òî÷åê LC = f(x, y) = C íàçûâàåòñÿ ëèíèåé óðîâíÿ ôóíêöèè f(x, y). Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî äëÿ ëþáîãî C ìåðà ìíîæåñòâà LC ðàâíà 0: ó ðàññìàòðèâàåìîé ôóíêöèè íåò òî÷åê, â îêðåñòíîñòè êîòîðûõ îíà ÿâëÿåòñÿ êîíñòàíòîé. Òàêæå áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî LC ÿâëÿåòñÿ êóñî÷íî-íåïðåðûâíîé êðèâîé; áîëüøèíñòâî ôóíêöèé ÿâëÿþòñÿ èìåííî òàêèìè. Òîãäà ïðè ëþáîì C êðèâóþ LC ìîæíî ïàðàìåòðèçîâàòü ïàðàìåòðîì t, ïðèíàäëåæàùèì îòðåçêó [0, 1]. Ðàññìîòðèì, íàïðèìåð, ñëó÷àé êâàäðàòè÷íîé öåëåâîé ôóíêöèè f(x, y) = x 2 - y 2, îïðåäåë¸ííîé íà êâàäðàòå [?1, 1] × [?1, 1]. Òîãäà êðèâàÿ ñ--ò--ó x(t, C) = C cos(2ðt) y(t, C) = C sin(2ðt) C ? [0, 1]; t ? [0, 1] ÿâëÿåòñÿ îêðóæíîñòüþ ðàäèóñà C; ñ--ôôò--ôôó x(t, C) = C cos 2ðt - arccos 1 C · (2[4t] - 1 ? 8t) y(t, C) = C sin 2ðt - arccos 1 C · (2[4t] - 1 ? 8t) , C ? [1, v 2]; t ? [0, 1/4], ãäå [4t] îçíà÷àåò öåëóþ ÷àñòü ÷èñëà 4t, ÿâëÿåòñÿ ïåðåñå÷åíèåì îêðóæíîñòè ðàäèóñà C ? [1, v 2] è êâàäðàòà [?1, 1] × [?1, 1]. Íà ðèñóíêå 2.4 ïîêàçàíû ëèíèè óðîâíÿ ôóíêöèè f(x, y) = x 2 - y 2. Ïóñòü Cmin è Cmax - ñîîòâåòñòâåííî ìèíèìàëüíîå è ìàêñèìàëüíîå çíà÷å25 Ðèñ. 2.4. Ëèíèè óðîâíÿ êâàäðàòè÷íîé ôóíêöèè f(x, y) = x 2 - y 2 íèå, êîòîðûå ôóíêöèÿ ïðèíèìàåò íà ðàññìàòðèâàåìîé îáëàñòè. Òîãäà P{f(x1, y1) > f(x2, y2)} = = C Zmax Cmin C Zmax C ñ1(x(t, C), y(t, C)) · ñ2(x(ô, Cˆ), y(ô, Cˆ))dtdô dCdC. ˆ Òåïåðü ïåðåéä¸ì íåïîñðåäñòâåííî ê ðàññìîòðåíèþ ñàìîãî ìåòîäà äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè. Âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ó ìóòàíòíîãî âåêòîðà â ðåçóëüòàòå ñêðåùèâàíèÿ ïîìåíÿëèñü îáå êîîðäèíàòû, ðàâíà p 2. Ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ òàêîãî âåêòîðà áóäåò ñ22(x, y) = Z G Z G ñ(x?F(x2?x3), y?F(y2?y3))·ñ(x2, y2)·ñ(x3, y3)dx2dy2dx3dy3, ãäå G - îáëàñòü ìèíèìèçàöèè. Âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ó ìóòàíòíîãî âåêòîðà ïîìåíÿåòñÿ òîëüêî êîîðäèíàòà x ðàâíà p(1 ? p), è ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè â 26 ýòîì ñëó÷àå ðàâíà:
ñ21(x, y) = Z G Z G ñ(x ? F(x2 ? x3), y) · ñ(x2, y2) · ñ(x3, y3)dx2dy2dx3dy3, àíàëîãè÷íî: ñ12(x, y) = Z G Z G ñ(x, y ? F(y2 ? y3) · ñ(x2, y2) · ñ(x3, y3)dx2dy2dx3dy3, ñ11(x, y) = ñ(x, y).
Çàìåòèì òàêæå, ÷òî Z G ñ22(x, y)dxdy = ˆñ22 6= 1, ïî òîé ïðè÷èíå, ÷òî, âîîáùå ãîâîðÿ, ìóòàíòíûé âåêòîð ìîã ïîëó÷èòüñÿ âíå îáëàñòè G. Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì ââîäÿòñÿ ñˆ21 è ñˆ12. Òàêèì îáðàçîì, ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè ïðîáíîãî âåêòîðà ðàâíà:
ñprob(x, y) = ((1?p) 2 - (1?p)p(1?ñˆ12) - (1?p)p(1?ñˆ21) - p 2 (1?ñˆ22))·ñ(x, y) - - (1 ? p)p · ñ12(x, y) - (1 ? p)p · ñ21(x, y) - p 2 · ñ22(x, y) Çàìåòèì, ÷òî âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå íîðìèðîâêè: Z G ñprob(x, y)dxdy = = ((1?p) 2 - (1?p)p(1?ñˆ12) - (1?p)p(1?ñˆ21) - p 2 (1?ñˆ22))· Z G ñ(x, y)dxdy - - p(1 ? p) Z G ñ12(x, y)dxdy - p(1 ? p) Z G ñ21(x, y)dxdy - p 2 Z G ñ22(x, y)dxdy = = ((1 ? p) 2 - (1 ? p)p(1 ? ñˆ12) - (1 ? p)p(1 ? ñˆ21) - p 2 (1 ? ñˆ22)) · 1 - - p(1 ? p) · ñˆ12 - p(1 ? p)ˆñ21 - p 2 ñˆ22 = 27 = (1 ? p) 2 - 2p(1 ? p) - p 2 = 1
Ïî ðàññ÷èòàííîé ðàíåå ôîðìóëå âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî çíà÷åíèå ôóíêöèè íà ïðîáíîì âåêòîðå ìåíüøå, ÷åì íà èñõîäíîì âåêòîðå, ðàâíà:
pprob = P{f(xprob, yprob) < f(x, y)} = = C Zmax Cmin C Zmax C ñ(x(t, C), y(t, C)) · ñprob(x(ô, Cˆ), y(ô, Cˆ))dtdô dCdC. ˆ Ñëåäîâàòåëüíî, íîâàÿ ïëîòíîñòü âåðîÿòíîñòè áóäåò ðàâíà ñnew(x, y) = pprob · ñprob(x, y) - (1 ? pprob) · ñ(x, y)
Çàìåòèì, ÷òî è â ýòîì ñëó÷àå òàêæå âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå íîðìèðîâêè: Z G ñnew(x, y)dxdy = 1. Òàêèì îáðàçîì, ìû ïðèâåëè ðàñ÷¸òíûå ôîðìóëû äëÿ èçìåíåíèÿ ïëîòíîñòè âåðîÿòíîñòè ñëó÷àéíî áðîøåííîé òî÷êè. Ñëàáûì ìåñòîì ïðèâåä¸ííûõ ôîðìóë ÿâëÿåòñÿ èõ ÷ðåçìåðíàÿ ãðîìîçäêîñòü, à èìåííî - ÷åòûð¸õìåðíûå èíòåãðàëû, ÷èñëåííîå èíòåãðèðîâàíèå êîòîðûõ ñ íåîáõîäèìîé òî÷íîñòüþ òðåáóåò áîëüøèõ âû÷èñëèòåëüíûõ çàòðàò. Çàìåòèì òàêæå, ÷òî ïîëó÷åííûå ôîðìóëû äëÿ ïëîòíîñòè âåðîÿòíîñòè íå çàâèñÿò îò ðàçìåðà ïîïóëÿöèè N, ÷òî ñ ïåðâîãî âçãëÿäà êàæåòñÿ íå âïîëíå ëîãè÷íûì. Îäíàêî ýòî ëåãêî îáúÿñíÿåòñÿ. Ïóñòü, íàïðèìåð, ïîñëå 100 èòåðàöèé âåðîÿòíîñòü îêàçàòüñÿ â å-îêðåñòíîñòè ãëîáàëüíîãî ìèíèìóìà > 0.8: Z Oå(x0,y0) ñ(x, y)dxdy > 0.9 Òîãäà âåðîÿòíîñòü, òîãî, ÷òî íè îäíà òî÷êà èç ïîïóëÿöèè ðàçìåðîì N = 28 5 íå ïîïàä¸ò â ýòó îêðåñòíîñòü, ðàâíà (1 ? 0.8)5 = 0.00032. Ïðè ðàçìåðå ïîïóëÿöèè N = 10, òàêàÿ âåðîÿòíîñòü ðàâíà (1 ? 0.8)10 = 1.024 · 10?7, ÷òî ñóùåñòâåííî ìåíüøå. Âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî õîòÿ-áû 5 òî÷åê èç ïîïóëÿöèè ïîïàäóò â èñêîìóþ îêðåñòíîñòü, ðàâíà X 10 k=5 C k 100.8 k 0.2 10?k = 0.993631, â òî âðåìÿ, êàê âåðîÿòíîñòü ïîïàäàíèÿ âñåõ ïÿòè òî÷åê èç ïîïóëÿöèè ðàçìåðîì N = 5 ðàâíà 0.8 5 = 0.32768 Äëÿ ïîëó÷åíèÿ äàëüíåéøèõ ðåçóëüòàòîâ òðåáóåòñÿ ïîëó÷èòü ïðîèçâåäåíèå äâóõ áîëüøèõ ìíîãî÷ëåíîâ, êîòîðîå óäîáíî îñóùåñòâëÿòü ñ ïîìîùüþ áûñòðîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå. Áûñòðîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå Ïóñòü èìååòñÿ äâà ìíîãî÷ëåíà ñòåïåíè n: P(x) è Q(x). Çàäàäèìñÿ âîïðîñîì: çà êàêîå êîëè÷åñòâî ýëåìåíòàðíûõ îïåðàöèé (ñëîæåíèé è óìíîæåíèé) ìîæíî ïîëó÷èòü èõ ïðîèçâåäåíèå. Ñàìûé ïðîñòîé ñïîñîá - óìíîæåíèå êàæäîãî ñëàãàåìîãî ïåðâîãî ìíîãî÷ëåíà íà êàæäîå ñëàãàåìîå âòîðîãî, òðåáóåò O(n 2 ) îïåðàöèé. Àëãîðèòì, ïðåäëîæåííûé Êàðàöóáîé [20] â 1962 ãîäó òðåáóåò O(n log3 2 ) îïåðàöèé. Àëãîðèòì, èñïîëüçóþùèé áûñòðîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå òðåáóåò O(n log n) îïåðàöèé, ïðè ýòîì ïðè n ïîðÿäêà 104 àëãîðèòì Êàðàöóáû âûèãðûâàåò âî âðåìåíè çà ñ÷¸ò ìåíüøåé ëèíåéíîé êîíñòàíòû, à ïðè n áîëüøåãî ïîðÿäêà ïî âðåìåíè âûèãðûâàåò áûñòðîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå. Ìåòîä áûñòðîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå îñíîâàí íà áûñòðîì ïîäñ÷¸òå çíà÷åíèÿ ìíîãî÷ëåíà â 2n òî÷êàõ - çà 2n log(2n) îïåðàöèé. Âíà÷àëå ïîäñ÷èòàåì çíà÷åíèÿ îáîèõ ìíîãî÷ëåíîâ íà îäèíàêîâîì íàáîðå èç 2n òî÷åê, çàòåì ïåðåìíîæèì çíà÷åíèÿ ôóíêöèè â êàæäîé ïàðå è ïîëó÷èì çíà÷åíèÿ ôóíêöèè 29 ñòåïåíè 2n â 2n òî÷êàõ, ïî êîòîðûì ìîæíî îäíîçíà÷íî âîññòàíîâèòü ìíîãî÷ëåí. Îáû÷íî â êà÷åñòâå òî÷åê, â êîòîðûõ ñ÷èòàåòñÿ çíà÷åíèå ôóíêöèè áåðóò êîìïëåêñíûå êîðíè èç åäèíèöû. Îáîçíà÷èì ån = ån,1 = e i 2ð n - ãëàâíîå çíà÷åíèå êîðíÿ n-îé ñòåïåíè èç åäèíèöû. Òîãäà âñå îñòàëüíûå êîðíè áóäóò íåêîòîðîé ñòåïåíüþ ãëàâíîãî êîðíÿ:
ån,k = (ån) k = e i 2ðk n, k = 0,..., n ? 1 Ïóñòü P(x) = p0x 0 - p1x 1 - ... - pn?1x n?1.
Òîãäà äèñêðåòíûì ïðåîáðàçîâàíèåì Ôóðüå (ÄÏÔ) íàçûâàåòñÿ ïðåîáðàçîâàíèå:
DF T(p0, p1,..., pn?1) = (y0, y1,..., yn?1) = = (P(ån,0), P(ån,1), P(ån,n?1) = (P(å 0 n ), P(å 1 n ),..., P(å n?1 n )),
êîòîðîå âåêòîðó êîýôôèöèåíòîâ ìíîãî÷ëåíà ñòàâèò â ñîîòâåòñòâèå âåêòîð çíà÷åíèé ìíîãî÷ëåíà íà íàáîðå êîìïëåêñíûõ êîðíåé åäèíèöû. Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì îïðåäåëÿåòñÿ îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå: InverseDF T(y0, y1,..., yn?1) = (p0, p1,..., pn?1), êîòîðîå çàäà¸ò ïðîòèâîïîëîæíîå ñîîòâåòñòâèå. Áûñòðîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå (ÁÏÔ) ïîçâîëÿåò âû÷èñëèòü ÄÏÔ çà O(n log n). Ïóñòü ìíîãî÷ëåí P(x) ñòåïåíè n, ãäå n - ñòåïåíü äâîéêè, n > 1. P(x) = p0x 0 - p1x 1 - ... pn?1x n?1 Ïðåäñòàâèì åãî â âèäå ñóììû äâóõ ïîëèíîìîâ: ñ ÷¸òíûìè è ñ íå÷¸òíûìè 30 ñòåïåíÿìè íîìåðàìè êîýôôèöèåíòîâ: P0(x) = p0x 0 - p2x 1 - ... pn?2x n/2?1 P1(x) = p1x 0 - p3x 1 - ... pn?1x n/2?1 Òîãäà, íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî: P(x) = P0(x 2 ) - xP1(x 2 ) Ïîëó÷åííûå ìíîãî÷ëåíû P0 è P1 èìåþò âäâîå ìåíüøóþ ñòåïåíü, ÷åì èñõîäíûé ìíîãî÷ëåí P. Ïîñòðîèì áûñòðîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå äëÿ ìíîãî÷ëåíà P, ïîëüçóÿñü èì äëÿ P0 è P1. Ïóñòü {y 0 k } n/2?1 k=0 = DF T(P0) è {y 1 k } n/2?1 k=0 = DF T(P1); {yk} n?1 k=0 = DF T(P). Çàìåòèì, ÷òî òîãäà: yk = y 0 k - å k n y 1 k yk - n/2 = P(å k - n/2 n ) = P0(å 2k - n n ) - å k - n/2 n A1(å 2k - n n ) = y 0 k ? å k n y 1 k Ïóñòü T(n) - êîëè÷åñòâî îïåðàöèé, èñïîëüçóåìûõ äëÿ âû÷èñëåíèÿ ÁÏÔ, òîãäà âûïîëíÿåòñÿ ñëåäóþùåå óðàâíåíèå: T(n) = 2T(n/2) - è(n), êîòîðîå èìååò ðåøåíèå T(n) = O(n log n) [19] Íåïîñðåäñòâåííîé ïðîâåðêîé ìîæíî óáåäèòüñÿ, ÷òî îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå èìååò òàêóþ æå àñèìïòîòèêó, òàê êàê ôîðìóëû äëÿ îáðàòíûõ ïðåîáðàçîâàíèåì áóäóò îòëè÷àòüñÿ ëèøü çíàêîì è êîíñòàíòîé: yk = X n?1 j=0 pjå kj n pk = 1 n X n?1 j=0 yjå ?kj n 31 ÄÏÔ äëÿ ïåðåìíîæåíèÿ ìíîãî÷ëåíîâ P è Q èñïîëüçóåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì: * ïðîèçâîäèì ïðÿìîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå äëÿ èñõîäíûõ ìíîãî÷ëåíîâ â 2n òî÷êàõ, âåêòîðû y = DF T(P) è z = DF T(Q) ÿâëÿþòñÿ 2n-ìåðíûìè. * ïåðåìíîæàåì ïîêîìïîíåíòíî âåêòîðû y è z: t = y × z * ïðîèçâîäèì îáðàòíîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå äëÿ âåêòîðà t: P × Q = InverseDF T(t) Çàìåòèì, ÷òî êàæäûé øàã àëãîðèòìà çàíèìàåò íå áîëåå, ÷åì O(n log n) ýëåìåíòàðíûõ îïåðàöèé, çíà÷èò è âåñü àëãîðèòì èìååò òó æå àñèìïòîòèêó. Äàííûé àëãîðèòì áûë ðåàëèçîâàí, è áûëà ïðîâåðåíà åãî ïîãðåøíîñòü ïî ñðàâíåíèþ ñ îáû÷íûì ïåðåìíîæåíèåì ìíîãî÷ëåíîâ «ñòîëáèêîì». Äëÿ n = 221 áûëè ñãåíåðèðîâàíû äâà ìíîãî÷ëåíà ñòåïåíè n, êîýôôèöèåíòû êîòîðûõ - ñëó÷àéíûå íà îòðåçêå [0, 1] äåéñòâèòåëüíûå ÷èñëà. Çàòåì ïîäñ÷èòàíà íîðìà L2 ðàçíèöû ïîëó÷åííûõ ìíîãî÷ëåíîâ, êîòîðàÿ ïîëó÷èëàñü ïîðÿäêà 10?7, ÷òî îçíà÷àåò ñðåäíþþ ïîãðåøíîñòü êîýôôèöèåíòà 10?12 è ÿâëÿåòñÿ õîðîøèì ðåçóëüòàòîì. Îáîáùèì àëãîðèòì áûñòðîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå íà ñëó÷àé ìíîãî÷ëåíîâ, çàâèñÿùèõ îò äâóõ ïåðåìåííûõ. Ïóñòü P(x, y) = X n i=1 X n j=1 pi,jx i y j, ãäå n äëÿ óäîáñòâà - ýòî íåêîòîðàÿ ñòåïåíü äâîéêè. Îïðåäåëèì äèñêðåòíîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå, êàê íàáîð çíà÷åíèé ôóíêöèè íà ïàðàõ ÷èñåë, êàæäîå èç êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ n-ûì êîðíåì èç åäèíèöû: DF T(P(x, y)) = (P(å i n, åj n )|i, j = 0,..., n ? 1) = {zi,j} n?1 i,j=0 Ëþáîé ìíîãî÷ëåí ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå
P(x, y) = P0(x 2, y2 ) - xP1(x 2, y2 ) - yP2(x 2, y2 ) - xyP3(x 2, y2 ) 32 Ïóñòü {z 0 i,j} n/2?1 i,j=0 = DF T(P0(x, y)); {z 1 i,j} n/2?1 i,j=0 = DF T(P1(x, y)); {z 2 i,j} n/2?1 i,j=0 = DF T(P2(x, y)); {z 3 i,j} n/2?1 i,j=0 = DF T(P3(x, y))
Òîãäà âûïîëíÿþòñÿ ñëåäóþùèå ðåêóððåíòíûå ôîðìóëû
ñ--ôôôôôôò--ôôôôôôó zi,j = z 0 i,j - å i n z 1 i,j - å j n z 2 i,j - å i - j n z 3 i,j zi,j - n/2 = z 0 i,j - å i n z 1 i,j ? å j n z 2 i,j ? å i - j n z 3 i,j zi - n/2,j = z 0 i,j ? å i n z 1 i,j - å j n z 2 i,j ? å i - j n z 3 i,j zi - n/2,j - n/2 = z 0 i,j ? å i n z 1 i,j ? å j n z 2 i,j - å i - j n z 3 i,j
Òàêèì îáðàçîì, ïîäñ÷¸ò ñëîæíîñòè àëãîðèòìà äà¸ò íàì ñëåäóþùóþ ðåêóððåíòíóþ ôîðìóëó: T(n) = 4 · T(n/2) - è(n), ðåøåíèåì êîòîðîé [19] áóäåò àñèìïòîòèêà T(n) = O(n 2 log n), òàêîé æå áóäåò è ñëîæíîñòü âñåãî àëãîðèòìà ïåðåìíîæåíèÿ ìíîãî÷ëåíîâ. Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì ìîæíî èñïîëüçîâàòü áûñòðîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå è äëÿ ïåðåìíîæåíèå ìíîãî÷ëåíîâ, çàâèñÿùèõ îò ëþáîãî êîëè÷åñòâî ïåðåìåííûõ. ×èñëåííîå èíòåãðèðîâàíèå Íå óìàëÿÿ îáùíîñòè, áóäåì ðàññìàòðèâàòü ôóíêöèþ íà êâàäðàòå K = [0, 1] × [0, 1]: Ñ ïîìîùüþ ëèíåéíîé çàìåíû êîîðäèíàò ìîæíî äîáèòüñÿ, ÷òîáû ìèíèìèçèðóåìàÿ îáëàñòü G ñîäåðæàëàñü â ýòîì êâàäðàòå; íà ìíîæåñòâå K/G îïðåäåëèì ôóíêöèþ âåëè÷èíîé, çàâåäîìî áîëüøåé àïðèîðíîé ìàêñèìàëüíîé îöåíêè. Íà êàæäîì øàãå âìåñòî ïëîòíîñòè âåðîÿòíîñòè ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû áóäåì ðàññìàòðèâàòü åãî ñåòî÷íîå ïðèáëèæåíèå, à èìåííî, ïóñòü: ñi,j - âåðîÿòíîñòü ïîïàäàíèÿ ñëó÷àéíîé âåëè÷èíû â êâàäðàò 33 Ki,j = [i/Napr,(i - 1)/Napr] × [j/Napr,(j - 1)/Napr], ãäå Napr - òî÷íîñòü ðàçáèåíèÿ - êîëè÷åñòâî ÷àñòåé, íà êîòîðîå ìû äåëèì êàæäóþ ñòîðîíó êâàäðàòà. Òîãäà, ìîæíî óòâåðæäàòü, ÷òî N Xapr i=1 N Xapr j=1 ñi,j = 1 Ïóñòü, òàêæå, fi,j - çíà÷åíèå öåëåâîé ôóíêöèè â öåíòðå êâàäðàòà Ki,j Ïîäñ÷èòàåì çíà÷åíèå ñ new k,l - âåðîÿòíîñòü ïîïàäàíèÿ ñëó÷àéíîãî âåêòîðà â êâàäðàò Ki,j ïîñëå îäíîé èòåðàöèè ìåòîäà. Ýòîò ìîãëî ïðîèçîéòè 5 ñïîñîáàìè: * ïðîáíûé âåêòîð ëó÷øå èñõîäíîãî âåêòîðà èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ, äëÿ âåêòîðà (ˆx, yˆ) èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ ñôîðìèðîâàëñÿ ìóòàíòíûé âåêòîð, äëÿ êîòîðîãî îïåðàöèÿ ñêðåùèâàíèÿ íå ïîìåíÿëà íè îäíîé êîîðäèíàòû * ïðîáíûé âåêòîð ëó÷øå èñõîäíîãî âåêòîðà èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ, îïåðàöèÿ ñêðåùèâàíèÿ ïîìåíÿëà êîîðäèíàòó x * ïðîáíûé âåêòîð ëó÷øå èñõîäíîãî âåêòîðà èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ, îïåðàöèÿ ñêðåùèâàíèÿ ïîìåíÿëà êîîðäèíàòó y * ïðîáíûé âåêòîð ëó÷øå èñõîäíîãî âåêòîðà èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ, îïåðàöèÿ ñêðåùèâàíèÿ ïîìåíÿëà îáå êîîðäèíàòû * ïðîáíûé âåêòîð õóæå èñõîäíîãî âåêòîðà èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ, èëè âûøåë çà ãðàíèöó ðàññìàòðèâàåìîé îáëàñòè. Îñòàíîâèìñÿ ñíà÷àëà íà ïåðâîì ñëó÷àå. Òàê êàê çíà÷åíèå öåëåâîé ôóíêöèè ìîæåò òîëüêî óìåíüøàòüñÿ, òî äëÿ âåêòîðà T èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ âûïîëíÿåòñÿ: fk,l < f(T). Òàêèì îáðàçîì, âåðîÿòíîñòü âûáîðà âåêòîðà èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ, ðàâíà X ki,li:fki,li>fk,l ñki,li Íà ðèñóíêå 2.5 èçîáðàæåíà ýâîëþöèÿ âåêòîðà T. Äàëåå, ôîðìèðóåòñÿ ìóòàíòíûé âåêòîð V, íåçàâèñèìî îò âåêòîðà èç ñòàðîãî 34 Kk,l V, W Kki,li T Ðèñ. 2.5. ïåðâûé ñëó÷àé: ïî âåêòîðó T èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ ñòðîèòñÿ ìóòàíòíûé âåêòîð V, êîòîðûé ðàâåí ïðîáíîìó âåêòîðó W; f(W) = f(V ) < f(T) ïîêîëåíèÿ. Îïðåäåëèì âåðîÿòíîñòü òîãî, ÷òî ìóòàíòíûé âåêòîð ïîïàä¸ò â èñêîìûé êâàäðàò. Îíà âû÷èñëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå: V = (x1 - F(x2 ? x3), y1 - F(y2 ? y3), ãäå (x1, y1), (x2, y2) è (x3, y3) - òðè âåêòîðà èç ñòàðîé ïîïóëÿöèè. Ïóñòü ïðè ýòîì (x1, y1) ? Kk1,l1 ; (x2, y2) ? Kk2,l2 ; (x3, y3) ? Kk3,l3 Òîãäà äîëæíî âûïîëíÿòüñÿ óñëîâèå:
ñ--ò--ó [k1 - F(k2 ? k3)] = k [l1 - F(l2 ? l3)] = l (?)
Èñêîìàÿ âåðîÿòíîñòü ñ 22 x,y áóäåò ðàâíà: ñ 22 k,l = X âûïîëíÿåòñÿ (?) ñk1,l1 · ñk2,l2 · ñk3,l3 Ïóñòü ñˆ(x, y) = N Xapr i=1 N Xapr j=1 ñi,jx i y j, 35 Kk,l W Kk,li T Kt,l V Ðèñ. 2.6. âòîðîé ñëó÷àé: ïî âåêòîðó T èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ ñòðîèòñÿ ìóòàíòíûé âåêòîð V, êîòîðûé ïåðåõîäèò â âåêòîð W çàìåíîé êîîðäèíàòû x èç âåêòîðà T; f(W) < f(T) òîãäà ñ 22 k,l áóäåò ðàâíî êîýôôèöèåíòó ïðè x k y l ìíîãî÷ëåíà ñ3(x, y) = norm[ˆñ(x, y) · ñˆ(x F, yF ) · ñˆ(x ?F, y?F )], ãäå ïîä íîðìàëèçàöèåé (norm) ïîäðàçóìåâàåòñÿ âçÿòèå öåëûõ ÷àñòåé îò âñåõ ñòåïåíåé. Íàïðèìåð: norm[2x 2.7 y 3.4 - 3x ?0.5 y 2 ? 2x 3 y 4 ] = 2x 2 y 3 - 3x ?1 y 2 ? 2x 3 y 4 Îêîí÷àòåëüíî, èìååì âåðîÿòíîñòü ïîïàäàíèÿ â êâàäðàò Kk,l â ïåðâîì ñëó÷àå: ñ 22,new k,l = p 2 × ë--í X ki,li:fki,li>fk,l ñki,li ö--ø × coeff ñ3(x, y), k, l Ïåðåéä¸ì òåïåðü ê ðàññìîòðåíèþ âòîðîãî ñëó÷àÿ (ðèñóíîê 2.6): Îïÿòü æå, äëÿ âåêòîðà T èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ âûïîëíÿåòñÿ: fk,l < f(T). Íî íà ýòîò ðàç, òàê êàê êîîðäèíàòà x ìóòàíòíîãî âåêòîðà ïîìåíÿëàñü, çíà÷èò ýòà êîîðäèíàòà îñòàëîñü ïðåæíåé ó âåêòîðà T èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ. Òàêèì 36 Kk,l W Kk,t V Kki,l T Ðèñ. 2.7. òðåòèé ñëó÷àé: ïî âåêòîðó T èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ ñòðîèòñÿ ìóòàíòíûé âåêòîð V, êîòîðûé ïåðåõîäèò â âåêòîð W çàìåíîé êîîðäèíàòû y èç âåêòîðà T; f(W) < f(T) îáðàçîì, âåðîÿòíîñòü âûáîðà âåêòîðà èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ, ðàâíà X k,li:fk,li>fk,l ñk,li Òàê êàê êîîðäèíàòà x ìóòàíòíîãî âåêòîðà ïîìåíÿëàñü, äîñòàòî÷íî òîãî, ÷òîáû îí ïîïàë â ñòðîêó ïîä íîìåðîì l, çíà÷èò ñ 2,1 k,l = N Xapr t=1 coeff ñ3(x, y), t, l Îêîí÷àòåëüíî, âåðîÿòíîñòü ïîïàäàíèÿ â êâàäðàò Kk,l âî âòîðîì ñëó÷àå åñòü: ñ 21,new k,l = = p(1 ? p) × ë--í X li:fk,li>fk,l ñk,li ö--ø × ë--í N Xapr t=1 coeff ñ3(x, y), t, l ö--ø Àíàëîãè÷íî ðàññìàòðèâàåòñÿ òðåòèé ñëó÷àé: (ðèñóíîê 2.7) ñ 12,new k,l = 37 Kk,l T, W Kki,li V Ðèñ. 2.8. ÷åòâ¸ðòûé ñëó÷àé: ïî âåêòîðó T èç ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ ñòðîèòñÿ ìóòàíòíûé âåêòîð V, êîòîðûé ïåðåõîäèò îáðàòíî â âåêòîð T çàìåíîé îáîèõ êîîðäèíàò èç âåêòîðà T; f(W) = F(T) > f(V ) = p(1 ? p) × ë--í X ki:fki,l>fk,l ñki,l ö--ø × ë--í N Xapr t=1 coeff ñ3(x, y), k, t ö--ø  ÷åòâ¸ðòîì ñëó÷àå âåêòîð íå ïîìåíÿåòñÿ, ïðè ýòîì ìóòàíòíûé âåêòîð ìîæåò èìåòü ëþáûå êîîðäèíàòû, ïðè êîòîðûõ çíà÷åíèå öåëåâîé ôóíêöèè ìåíüøå fk,l: ñ 11,new k,l = (1 ? p) 2 × ñk,l × X ki,li:fki,lifk,l ñki,li, X ki,li:fki,li< å è 6 ?zk: ?zl 6? z: |zk ? zl | 6 å. Çàìåòèì, ÷òî ïîíÿòèå çîíû êîíñåíñóñà ñ ïîêàçàòåëåì å íå ÿâëÿåòñÿ ýêâèâàëåíòíûì ïîíÿòèþ ìíîæåñòâà òî÷åê, ëåæàùèõ âíóòðè ãèïåðøàðà ñ ðàäèóñîì å è ÷òî D(z) > å. Ìîæíî îáîñíîâàòü ââåäåíèå òàêîãî ïîíÿòèÿ, êàê çîíà êîíñåíñóñà, ñëåäóþùèìè ñîîáðàæåíèÿìè. * Èñõîäíîå ìíîæåñòâî ðàçáèâàåòñÿ íà ìíîæåñòâî íåïåðåñåêàþùèõñÿ ìíîæåñòâ. * Äëÿ îâðàæíûõ ôóíêöèé ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî òî÷êè, ïðèíàäëåæàùèå çîíå êîíñåíñóñà, ñêëîííû ôîðìèðîâàòü ìíîæåñòâî, áëèçêîå ê äíó îâðàãà. Àëãîðèòì ðàçáèåíèÿ èñõîäíîãî ìíîæåñòâà òî÷åê íà ìíîæåñòâî ìíîæåñòâ òî÷åê, ïðèíàäëåæàùèõ çîíàì êîíñåíñóñà ñ ïîêàçàòåëåì ïðèòÿæåíèÿ å ìîæíî îïèñàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì: Ìîäèôèêàöèÿ ìåòîäà çàêëþ÷àëàñü â ñëåäóþùåì:
1. Ïîñëå êàæäîé èòåðàöèè âñ¸ ìíîæåñòâî òî÷åê ðàçáèâàëîñü íà K íåïåðåñåêàþùèõñÿ ìíîæåñòâ òî÷êå Zi, âõîäÿùèõ â çîíû êîíñåíñóñà. 43 Algorithm 1 Äåêîìïîçèöèÿ èñõîäíîãî ìíîæåñòâà òî÷åê íà ìíîæåñòâà çîí êîíñåíñóñà 1: procedure ConsensusDecomposition(A, å) 2: A: set of points 3: å: attraction value 4: toP robe: stack of points 5: s: set of points 6: ret: set of set of points 7: A < ? 8: toP robe.clear 9: while A 6= ? do. There are points to process 10: p < A.f irst. p - first element in A 11: A < A ? p. Remove p from A 12: toP robe.push(p). Add p to probe stack 13: s < p. Current set now contain p only 14: while toP robe 6= ? do 15: k < toP robe.pop. Get probe point from stack 16: for all j ? A do. Check all not processed points 17: if distance(k, j) 6 å then 18: s < s ? j. Add j to current set 19: A < A ? j. Remove j from A 20: toP robe.push(j) 21: end if 22: end for 23: end while 24: ret < ret ? s. Add new formed set to result 25: end while 26: return ret 27: end procedure 44 2. Äëÿ êàæäîé çîíå êîíñåíñóñà îïðåäåëÿëñÿ ïàðàìåòð Yi, ðàâíûé ìèíèìàëüíîìó çíà÷åíèþ ôóíêöèé òî÷åê, âõîäÿùèõ â äàííóþ çîíó Yi = min f(Pj ), ?Pj ? Zi 3. Îïðåäåëÿëàñü çîíà êîíñåíñóñà k, ñîäåðæàùàÿ ìèíèìàëüíîå Yi: k: Yk = min i?{1,...,K} Yi 4. Åñëè ?Yi: Yi <, òî àëãîðèòì çàâåðø¸í è â êà÷åñòâå ðåøåíèÿ âûáèðàåòñÿ òà òî÷êà Ps èç çîíû êîíñåíñóñà k, äëÿ êîòîðîé 5.  êàæäîé çîíå êîíñåíñóñà, ñîäåðæàùåé áîëåå Q òî÷åê âû÷èñëÿåòñÿ òî÷êà àïïðîêñèìèðîâàííîãî ìèíèìóìà ïî P òî÷êàì. Åñëè òàêàÿ òî÷êà ñóùåñòâóåò, òî îíà â íåé âû÷èñëÿåòñÿ öåëåâàÿ ôóíêöèÿ è èç ìíîæåñòâà {P - 1} âûáèðàåòñÿ P òî÷åê, èìåþùèõ íàèìåíüøèå çíà÷åíèÿ. Ps: f(Ps) = min i?{1,...,N} Yi 2.3.4. Íàõîæäåíèå ïðîãíîñòè÷åñêèõ òî÷åê Âíà÷àëå ðàññìîòðèì äâóõìåðíûé ñëó÷àé: äëÿ íåñêîëüêèõ òî÷åê (xi, yi), i = 1, N ïîïóëÿöèè òðåáóåòñÿ ïîñòðîèòü äâóõìåðíóþ ïàðàáîëó, ìàêñèìàëüíî áëèçêóþ ê ýòèì òî÷êàì. Îáùèé âèä äâóõìåðíîé ïàðàáîëû ýòî P2(x, y) = Ax2 - Bxy - Cy2 - Dx - Ey - F. Ïóñòü öåëåâàÿ ôóíêöèÿ îáîçíà÷àåòñÿ êàê f0(x, y). Ïóñòü P2 = P2(x1, y1),..., P2(xn, yn) T ; f0 = f0(x1, y1),...,f0(xn, yn) T Òðåáóåòñÿ ìèíèìèçèðîâàòü âåêòîð P2 ? f0 ïî íåêîòîðîé íîðìå: îáû÷íî â êà÷åñòâå òàêèõ íîðì áåðóò îäíó èç L1, L2, L?.  äàííîé ðàáîòå ìû ðàññìîòðèì 45 íîðìó L2: Ftlq(A, B, C, D, E, F) = min A,...,F kP2 ? f0kL2 = = X N i=1 Ax2 i - Bxiyi - Cy2 i - Dxi - Eyi - F ? f0(xi, yi) 2 Äëÿ íàõîæäåíèÿ ýêñòðåìóìà äàííîé ôóíêöèè âîñïîëüçóåìñÿ íåîáõîäèìûì óñëîâèåì: ?Ftlq ?A = ?Ftlq ?B = ?Ftlq ?C = ?Ftlq ?D = ?Ftlq ?E = ?Ftlq ?A = 0 Äëÿ óäîáñòâà îáîçíà÷èì ái,j = X N k=1 x i k y j k ; âi,j = X N k=1 x i k y j k f0(xk, yk) Òîãäà ïîñëå íåñëîæíûõ ïðåîáðàçîâàíèé, íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ çàïèñûâàþòñÿ â âèäå ñèñòåìû ëèíåéíûõ óðàâíåíèé:
ñ--ôôôôôôôôôôôôò--ôôôôôôôôôôôôó--á4,0A - á3,1B - á2,2C - á3,0D - á2,1E - á2,0F = â2,0 á3,1A - á2,2B - á1,3C - á2,1D - á1,2E - á1,1F = â1,1 á2,2A - á1,3B - á0,4C - á1,2D - á0,3E - á0,2F = â0,2 á3,0A - á2,1B - á1,2C - á2,0D - á1,1E - á1,0F = â0,1 á2,1A - á1,2B - á0,3C - á1,1D - á0,2E - á0,1F = â1,0 á2,0A - á1,1B - á0,2C - á1,0D - á0,1E - á0,0F = â0,0
Òàêèì îáðàçîì òðåáóåòñÿ ðåøèòü ñèñòåìó ëèíåéíûõ óðàâíåíèé, ñ ïîëîæèòåëüíî îïðåäåë¸ííîé ñèììåòðè÷íîé ìàòðèöåé:
ë--ììììììììììììí á4,0 á3,1 á2,2 á3,0 á2,1 á2,0 â2,0 á3,1 á2,2 á1,3 á2,1 á1,2 á1,1 â1,1 á2,2 á1,3 á0,4 á1,2 á0,3 á0,2 â0,2 á3,0 á2,1 á1,2 á2,0 á1,1 á1,0 â0,1 á2,1 á1,2 á0,3 á1,1 á0,2 á0,1 â1,0 á2,0 á1,1 á0,2 á1,0 á0,1 á0,0 â0,0 ö--÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷ø
 n-ìåðíîì ñëó÷àå
Pn(z1,..., zn) = X 16i6j6n Aijzizj - X 16i6n Bizi - C Ftlq(A1,1, A1,2,..., An,n, B1,..., Bn, C) = = X N k=1 X 16i6j6n Ai,jz k i z k j - X 16i6n Biz k i - C ? f0(z k i, zk j ) 2
Íåòðóäíî çàìåòèòü, ÷òî
?Ftlq ?Aij?Apq = X N k=1 z k p z k q z k i z k j:= á p,q i,j ?Ftlq ?Aij?Bp = X N k=1 z k p z k i z k j:= á p i,j = á i,j p ?Ftlq ?Aij?C = X N k=1 z k i z k j:= ái,j = á i,j ?Ftlq ?Bi?Bp = X N k=1 z k p z k i:= á p i = á i p 47 ?Ftlq ?Bi?C = X N k=1 z k i:= ái = á i ?Ftlq ? 2C = á = N Ïóñòü, òàêæå âi,j = X N k=1 f0(z k 1,..., zk n )z k i z k j âi = X N k=1 f0(z k 1,..., zk n )z k i â = X N k=1 f0(z k 1,..., zk n )
Òàêèì îáðàçîì îïòèìàëüíûå êîýôôèöèåíòû (A1,1, A1,2,..., An,n, B1,..., Bn, C) áóäóò ðåøåíèåì ñèñòåìû:
ë--ìììììììììììììììììììììììí--á 1,1 1,1 á 1,2 1,1 · · · á n,n 1,1 á 1 1,1 · · · á n 1,1 á1,1 â1,1 á 1,1 1,2 á 1,2 1,2 · · · á n,n 1,2 á 1 1,2 · · · á n 1,2 á1,2 â1,2........................... á 1,1 n,n á 1,2 n,n · · · á n,n n,n á 1 n,n · · · á n n,n án,n ân,n á 1,1 1 á 1,2 1 · · · á n,n 1 á 1 1... án 1 á1 â1........................... á 1,1 n á 1,2 n · · · á n,n n á 1 n · · · á n n án ân á 1,1 á 1,2 · · · á n,n á 1 · · · á n á â ö ÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷÷ø
Äëÿ òåñòîâûõ çàäà÷ çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ àëãîðèòìà ñëåäóþùèå: * ø = 0.2 * è = 0.1 * æ = 0.5 48 2.3.5. Ðåçóëüòàòû ìîäåëüíûõ ýêñïåðèìåíòîâ ñðàâíåíèÿ ìåòîäîâ ÄÝ è ÄÝÀ  äàííîì ðàçäåëå ñðàâíèâàþòñÿ ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé êëàññè÷åñêîãî ìåòîäà äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè è åãî ìîäèôèêàöèè, ïðèìåíÿþùèé àïïðîêñèìàöèþ äëÿ ãåíåðàöèè ïðîáíûõ òî÷åê â íîâîì ïîêîëåíèè. Ìîäåëüíûå ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü äëÿ ðàçìåðíîñòè îïòèìèçàöèîííîé çàäà÷è, ðàâíîé 2-ì. Îïòèìèçàöèîííûå çàäà÷è áîëüøåé ðàçìåðíîñòè - òåìà äëÿ îòäåëüíûõ èññëåäîâàíèé. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ êðèòåðèÿ ýôôåêòèâíîñòè àëãîðèòìà ââåä¸ì êîýôôèöèåíò ýôôåêòèâíîñòè K, ðàâíûé îòíîøåíèþ êîëè÷åñòâà âû÷èñëåíèÿ öåëåâîé ôóíêöèè ìîäèôèöèðîâàííîãî è íåìîäèôèöèðîâàííîãî àëãîðèòìîâ. Ìåíüøèå çíà÷åíèÿ K îçíà÷àþò ëó÷øèå ðåçóëüòàòû. 0.9 0.95 1 1.05 1.1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 percent solved, f2 OLD NEW à) 0 200 400 600 800 1000 10 15 20 25 30 35 40 45 50 point computations, f2 OLD NEW á) Ðèñ. 2.13. Ñðàâíåíèå ñõîäèìîñòè (ñëåâà) è êîëè÷åñòâà âû÷èñëåíèé öåëåâîé ôóíêöèè àëãîðèòìîâ ÄÝ(OLD) è ÄÝÀ(NEW) äëÿ ìîäåëüíîé ôóíêöèè f2 Íà ðèñ. 2.13, 2.14, 2.15, 2.16 ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ìîäåëüíîãî ýêñïåðèìåíòà äëÿ öåëåâûõ ôóíêöèé f2, f3, f4 è f5 ñîîòâåòñòâåííî. Äëÿ öåëåâîé ôóíêöèè f2 íàáëþäàåòñÿ óëó÷øåíèå ñõîäèìîñòè ìåòîäà ïðè íåáîëüøèõ çíà÷åíèÿõ ïàðàìåòðà N (N 6 10). Êîýôôèöèåíò ýôôåêòèâíîñòè óëó÷øàåòñÿ ïðè óâåëè÷åíèè ïàðàìåòðà N è äîñòèãàåò 0.56 äëÿ N = 50. Ìåòîä äåìîíñòðèðóåò õîðîøèé ðåçóëüòàò. Äëÿ öåëåâîé ôóíêöèè f3 óëó÷øåíèå ñõîäèìîñòè ìåòîäà íàáëþäàåòñÿ ïðè âñåõ N â èññëåäîâàííîé îáëàñòè çíà÷åíèé N. Áîëåå òîãî, ìåòîä ÄÝÀ ñõî49 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 percent solved, f3 OLD NEW à) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 10 15 20 25 30 35 40 45 50 point computations, f3 OLD NEW á) Ðèñ. 2.14. Ñðàâíåíèå ñõîäèìîñòè (ñëåâà) è êîëè÷åñòâà âû÷èñëåíèé öåëåâîé ôóíêöèè àëãîðèòìîâ ÄÝ(OLD) è ÄÝÀ(NEW) äëÿ ìîäåëüíîé ôóíêöèè f3 äèòñÿ â 100% ñëó÷àÿõ óæå ïðè N > 6. Êîýôôèöèåíò ýôôåêòèâíîñòè óëó÷øàåòñÿ ïðè óâåëè÷åíèè ïàðàìåòðà N è äîñòèãàåò 0.29 äëÿ N = 50, òî åñòü, êîëè÷åñòâî âû÷èñëåíèé ÖÔ ïî÷òè â 3.4 ðàçà ìåíüøå, ÷åì â ìåòîäà ÄÝ ïðè çíà÷èòåëüíî ëó÷øåé ñõîäèìîñòè ìåòîäà ÄÝÀ. 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 percent solved, f4 OLD NEW à) 0 500 1000 1500 2000 10 15 20 25 30 35 40 45 50 point computations, f4 OLD NEW á) Ðèñ. 2.15. Ñðàâíåíèå ñõîäèìîñòè (ñëåâà) è êîëè÷åñòâà âû÷èñëåíèé öåëåâîé ôóíêöèè àëãîðèòìîâ ÄÝ(OLD) è ÄÝÀ(NEW) äëÿ ìîäåëüíîé ôóíêöèè f4 Äëÿ öåëåâîé ôóíêöèè f4, îïÿòü æå, ìîäèôèöèðîâàííûé ìåòîä ëó÷øå ñõîäèòñÿ ïðè íåáîëüøèõ N (N 6 12) è êîýôôèöèåíò ýôôåêòèâíîñòè K = 0.88 ïî÷òè íà âñåé îáëàñòè èññëåäîâàíèÿ. Äëÿ öåëåâîé ôóíêöèè f5, ìîäèôèöèðîâàííûé ìåòîä äåìîíñòðèðóåò íåñêîëüêó ëó÷øèé ïðîöåíò ñõîäèìîñòè íà âñåé îáëàñòè èññëåäîâàíèÿ è K = 0.87 äëÿ N = 50.  òàá. 2.1 ïðåäñòàâëåíû êîýôôèöèåíòû ýôôåêòèâíîñòè àëãîðèòìà äëÿ âûáðàííûõ öåëåâûõ ôóíêöèé äëÿ ðàçìåðà ïîïóëÿöèè â 50 òî÷åê. Äàæå â íàèõóäøåì ñëó÷àå îâðàæíîé ôóíêöèè ìåòîä ïîçâîëÿåò óìåíüøèòü âû÷èñëè50 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 10 15 20 25 30 35 40 45 50 percent solved, f5 OLD NEW à) 0 1000 2000 3000 4000 5000 10 15 20 25 30 35 40 45 50 point computations, f5 OLD NEW á) Ðèñ. 2.16. Ñðàâíåíèå ñõîäèìîñòè (ñëåâà) è êîëè÷åñòâà âû÷èñëåíèé öåëåâîé ôóíêöèè àëãîðèòìîâ ÄÝ(OLD) è ÄÝÀ(NEW) äëÿ ìîäåëüíîé ôóíêöèè f5 Öåëåâàÿ ôóíêöèÿ f2 f3 f4 f5 Êîýôôèöèåíò ýôôåêòèâíîñòè K 0.56 0.29 0.87 0.86 Òàáëèöà 2.1 Êîýôôèöèåíò ýôôåêòèâíîñòè K ìîäèôèöèðîâàííîãî àëãîðèòìà äëÿ ðÿäà öåëåâûõ ôóíêöèé òåëüíóþ ñëîæíîñòü çàäà÷è íà 13%.
3. Ïðàêòè÷åñêîå ïðèìåíåíèå
3.1 Èñïîëüçîâàíèå ïàðàëëåëüíûõ âû÷èñëåíèé â ìåòîäàõ îïòèìèçàöèè
Âàæíûì ñâîéñòâîì ðåøàåìîé çàäà÷è ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî âû÷èñëåíèå çíà÷åíèÿ öåëåâîé ôóíêöèè â òî÷êå ñóùåñòâåííî (íà íåñêîëüêî ïîðÿäêîâ) ïðåâîñõîäèò çàòðàòû íà èñïîëíåíèå ñàìèõ àëãîðèòìîâ îïòèìèçàöèè. Åñëè ìû ìîäèôèöèðóåì àëãîðèòì îïòèìèçàöèè òàêèì îáðàçîì, ÷òî ýòî ïðèâåä¸ò ó óìåíüøåíèþ êîëè÷åñòâà âû÷èñëåíèÿ öåëåâîé ôóíêöèè, òî ýòî ìîæåò îêàçàòüñÿ áîëå ýôôåêòèâíûì âàðèàíòîì ïî ñðàâíåíèþ ñ íåìîäèôèöèðîâàííûì àëãîðèòìîì. Äðóãèì âàæíûì ñâîéñòâîì àëãîðèòìà ÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü âû÷èñëåíèÿ çíà÷åíèÿ öåëåâîé ôóíêöèè â íåñêîëüêèõ òî÷êàõ îäíîâðåìåííî. Íàçîâ¸ì óñòðîéñòâî âû÷èñëåíèÿ öåëåâîãî çíà÷åíèÿ ôóíêöèè àãåíòîì èñïîëíåíèÿ (ýòî ìîæåò áûòü âû÷èñëèòåëüíîå ÿäðî èëè ãðóïïà ÿäåð íà îäíîì âû÷èñëèòåëüíîì óçëå èëè íà ðàçíûõ âû÷èñëèòåëüíûõ óçëàõ). Ââåä¸ì ñëåäóþùèå îáîçíà÷åíèÿ: * T - êîëè÷åñòâî âû÷èñëåíèé öåëåâîé ôóíêöèè, íåîáõîäèìîå äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è. * n - ðàçìåðíîñòü ðåøàåìîé çàäà÷è. * K - êîýôôèöèåíò ïàðàëëåëèçìà àëãîðèòìà, êîòîðûé îïðåäåëèì êàê îòíîøåíèå âðåìåíè èñïîëíåíèÿ àëãîðèòìà ïðè êîëè÷åñòâå àãåíòîâ èñïîëíåíèÿ, ðàâíîì åäèíèöå, ê âðåìåíè èñïîëíåíèÿ ýòîãî æå àëãîðèòìà ïðè íåîãðàíè÷åííîì êîëè÷åñòâå àãåíòîâ èñïîëíåíèÿ. Ìîæíî ðàçëè÷àòü ìãíîâåííûé êîýôôèöèåíò ïàðàëëåëèçìà Kt è ñîâîêóïíûé êîýôôèöèåíò ïàðàëëåëèçìà Ka, êîòîðûé è îïðåäåëÿåò îáùóþ ïðîèçâîäèòåëüíîñòü. * N - êîëè÷åñòâî òî÷åê, ó÷àñòâóþùèõ â ïðîöåññå ìèíèìèçàöèè. 52  ìåòîä äèôôåðåíöèàëüíîé ýâîëþöèè íà êàæäîé èòåðàöèè âû÷èñëÿåòñÿ ðîâíî N çíà÷åíèé öåëåâîé ôóíêöèè, êîòîðûå âñå ìîãóò âû÷èñëÿòüñÿ íåçàâèñèìî äðóã îò äðóãà. Òàêèì îáðàçîì, K = N. 3.2. Ñðàâíåíèå ïðàêòè÷åñêîé ðåàëèçàöèè ìåòîäîâ
3.2.1 Âû÷èñëèòåëüíàÿ ñèñòåìà, èñïîëüçîâàííàÿ äëÿ ðàñ÷¸òîâ
Ñåðèÿ ýêñïåðèìåíòîâ ïðîâîäèëàñü íà ñëåäóþùåé âû÷èñëèòåëüíîé ñèñòåìå, ñîáðàííîé â ïðîãðàììíî ðåàëèçîâàííûé êëàñòåð: 1. Intel i7-3615QM 4*2.3/3.1GHz HyperThreading/16GB RAM 2. Intel i7-3615QM 4*2.3/3.1GHz HyperThreading/10GB RAM 3. Intel i7-3615QM 4*2.3/3.1GHz HyperThreading/8GB RAM 4. Intel i7-2670QM 4*2.2/2.9GHz HyperThreading/8GB RAM 5. Intel i5-2500K 4*3.4/4.0GHz/8GB RAM 6. Intel Core2Quadro Q6000 4*2.4GHz/4GB RAM
...Ïîäîáíûå äîêóìåíòû
Ïðèìåíåíèå ìåòîäà äèñêðåòíîé ðåãóëÿðèçàöèè Òèõîíîâà À.Í. äëÿ íàõîæäåíèÿ ðåøåíèÿ îáðàòíîé çàäà÷è äëÿ îäíîðîäíîãî áèãàðìîíè÷åñêîãî óðàâíåíèÿ â êðóãå. Ñâåäåíèå äèôôåðåíöèàëüíîé çàäà÷è ê èíòåãðàëüíîìó óðàâíåíèþ; êîððåêòíî è íåêîððåêòíî ïîñòàâëåííûå çàäà÷è.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [280,2 K], äîáàâëåí 20.10.2011Íàõîæäåíèå ïîëèíîìà Æåãàëêèíà ìåòîäîì íåîïðåäåëåííûõ êîýôôèöèåíòîâ. Ïðàêòè÷åñêîå ïðèìåíåíèå æàäíîãî àëãîðèòìà. Âåíãåðñêèé ìåòîä ðåøåíèÿ çàäà÷è êîììèâîÿæåðà. Ïðèìåíåíèå òåîðèè íå÷åòêèõ ìíîæåñòâ äëÿ ðåøåíèÿ ýêîíîìè÷åñêèõ çàäà÷ â óñëîâèÿõ íåîïðåäåë¸ííîñòè.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [644,4 K], äîáàâëåí 16.05.2010Ñóùíîñòü âåðîÿòíîñòíîé çàäà÷è-ñõåìû íåçàâèñèìûõ èñïûòàíèé øâåéöàðñêîãî ïðîôåññîðà ìàòåìàòèêè ß. Áåðíóëëè. Ïðèìåð ðåøåíèÿ çàäà÷è ïî ôîðìóëå Áåðíóëëè. Ïðèìåíåíèå ìåòîäîâ òåîðèè âåðîÿòíîñòåé â ðàçëè÷íûõ îòðàñëÿõ åñòåñòâîçíàíèÿ, òåõíèêè è ïðèêëàäíûõ íàóêàõ.
ïðåçåíòàöèÿ [301,3 K], äîáàâëåí 10.03.2011Ñóùíîñòü ìåòîäîâ ñâåäåíèÿ êðàåâîé çàäà÷è ê çàäà÷å Êîøè è àëãîðèòìû èõ ðåàëèçàöèè íà ÏÝÂÌ. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ñòðåëüáû (ïðèñòðåëêè) äëÿ ëèíåéíîé êðàåâîé çàäà÷è, îïðåäåëåíèå ïîãðåøíîñòè âû÷èñëåíèé. Ðåøåíèå óðàâíåíèÿ ñøèâàíèÿ äëÿ íåëèíåéíîé êðàåâîé çàäà÷è.
ìåòîäè÷êà [335,0 K], äîáàâëåí 02.03.2010Ôîðìèðîâàíèå ôóíêöèè Ëàãðàíæà, óñëîâèÿ Êóíà è Òàêêåðà. ×èñëåííûå ìåòîäû îïòèìèçàöèè è áëîê-ñõåìû. Ïðèìåíåíèå ìåòîäîâ øòðàôíûõ ôóíêöèé, âíåøíåé òî÷êè, ïîêîîðäèíàòíîãî ñïóñêà, ñîïðÿæåííûõ ãðàäèåíòîâ äëÿ ñâåäåíèÿ çàäà÷ óñëîâíîé îïòèìèçàöèè ê áåçóñëîâíîé.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [1,8 M], äîáàâëåí 27.11.2012Ïàðàëëåëüíûå ìåòîäû ðåøåíèÿ ñèñòåì ëèíåéíûõ óðàâíåíèé ñ ëåíòî÷íûìè ìàòðèöàìè. Ìåòîä "âñòðå÷íîé ïðîãîíêè". Ðåàëèçàöèÿ ìåòîäà öèêëè÷åñêîé ðåäóêöèè. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà Ãàóññà ê ñèñòåìàì ñ ïÿòèäèàãîíàëüíîé ìàòðèöåé. Ðåçóëüòàòû ÷èñëåííîãî ýêñïåðèìåíòà.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [661,7 K], äîáàâëåí 21.10.2013Ñóòü çàäà÷è êîììèâîÿæåðà, åå ïðèìåíåíèå. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ìåòîäîâ åå ðåøåíèÿ: ìåòîä ïîëíîãî ïåðåáîðà, "æàäíûå" ìåòîäû, ãåíåòè÷åñêèå àëãîðèòìû è èõ îáîáùåíèÿ. Îñîáåííîñòè ìåòîäà âåòâåé è ãðàíèö è îïðåäåëåíèå íàèáîëåå îïòèìàëüíîãî ðåøåíèÿ çàäà÷è.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [393,2 K], äîáàâëåí 18.06.2011Ïðèìåíåíèå ìàòåìàòè÷åñêèõ è âû÷èñëèòåëüíûõ ìåòîäîâ â ïëàíèðîâàíèè ïåðåâîçîê. Ïîíÿòèå è âèäû òðàíñïîðòíûõ çàäà÷, ñïîñîáû èõ ðåøåíèÿ. Îñîáåííîñòè ïîñòàíîâêè çàäà÷è ïî êðèòåðèþ âðåìåíè. Ðåøåíèå òðàíñïîðòíîé çàäà÷è â Excel, íàñòðîéêà ïàðàìåòðîâ ðåøàòåëÿ.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [1,0 M], äîáàâëåí 12.01.2011Îïðåäåëåíèå è àíàëèç ìíîãîøàãîâûõ ìåòîäîâ, îñíîâû èõ ïîñòðîåíèÿ, óñòîé÷èâîñòü è ñõîäèìîñòü. Ïîñòàíîâêà çàäà÷è Êîøè äëÿ îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé. Ìåòîä Àäàìñà, çíà÷åíèå êâàäðàòóðíûõ êîýôôèöèåíòîâ. Ïðèìåíåíèå ìåòîäîâ ïðîãíîçà è êîððåêöèè.
êîíòðîëüíàÿ ðàáîòà [320,8 K], äîáàâëåí 13.03.2013Ðàññìîòðåíèå ýôôåêòèâíîñòè ïðèìåíåíèÿ ìåòîäîâ øòðàôîâ, áåçóñëîâíîé îïòèìèçàöèè, ñîïðÿæåííûõ íàïðàâëåíèé è íàèñêîðåéøåãî ãðàäèåíòíîãî ñïóñêà äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è ïîèñêà ýêñòðåìóìà (ìàêñèìóìà) ôóíêöèè íåñêîëüêèõ ïåðåìåííûõ ïðè íàëè÷èè îãðàíè÷åíèÿ ðàâåíñòâà.
êîíòðîëüíàÿ ðàáîòà [1,4 M], äîáàâëåí 16.08.2010Ïðèìåíåíèå ìàòåìàòè÷åñêèõ è ñòàòèñòè÷åñêèõ ìåòîäîâ â ïðîöåññå áóðåíèÿ. Íàõîæäåíèå ñðåäíåàðèôìåòè÷åñêîé âûáîðêè, ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêîãî îòêëîíåíèÿ, äèñïåðñèè, êîððåëÿöèè. Îöåíêà âëèÿíèÿ äâóõ ðåàãåíòîâ íà ïðåäåëüíîå íàïðÿæåíèå ñäâèãà áóðîâîãî ðàñòâîðà.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [378,6 K], äîáàâëåí 05.12.2011Îïòèìèçàöèÿ êàê ðàçäåë ìàòåìàòèêè, åå îïðåäåëåíèå, ñóùíîñòü, öåëè, ôîðìóëèðîâêà è îñîáåííîñòè ïîñòàíîâêè çàäà÷. Îáùàÿ õàðàêòåðèñòèêà ðàçëè÷íûõ ìåòîäîâ ìàòåìàòè÷åñêîé îïòèìèçàöèè ôóíêöèè. Ëèñòèíã ïðîãðàìì îñíîâíûõ ìåòîäîâ ðåøåíèÿ çàäà÷ îïòèìèçàöèè ôóíêöèè.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [414,1 K], äîáàâëåí 20.01.2010Èçó÷åíèå ïðÿìûõ ìåòîäîâ ðåøåíèÿ âàðèàöèîííûõ è êðàåâûõ çàäà÷ ìàòåìàòè÷åñêîãî àíàëèçà. Îñíîâíûå èäåè ìåòîäîâ Ðèòöà è Ãàëåðêèíà äëÿ íàõîæäåíèÿ ïðèáëèæåííîãî îáîáùåííîãî ðåøåíèÿ çàäà÷è ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà. Îñîáåííîñòè, ñõîäñòâî è îòëè÷èå äàííûõ ìåòîäîâ.
ïðåçåíòàöèÿ [187,9 K], äîáàâëåí 30.10.2013Ïîíÿòèÿ è òåðìèíû âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ. Ïîíÿòèå ôóíêöèîíàëà, åãî ïåðâîé âàðèàöèè. Çàäà÷è, ïðèâîäÿùèå ê ýêñòðåìóìó ôóíêöèîíàëà, óñëîâèÿ åãî ìèíèìóìà. Ïðÿìûå ìåòîäû âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ. Ïðàêòè÷åñêîå ïðèìåíåíèå ìåòîäà Ðèòöà äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [1,3 M], äîáàâëåí 08.04.2015Äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå ïåðâîãî ïîðÿäêà, ðàçðåøåííîå îòíîñèòåëüíî ïðîèçâîäíîé. Ïðèìåíåíèå ðåêóððåíòíîãî ñîîòíîøåíèÿ. Òåõíèêà ïðèìåíåíèÿ ìåòîäà Ýéëåðà äëÿ ÷èñëåííîãî ðåøåíèÿ óðàâíåíèÿ ïåðâîãî ïîðÿäêà. ×èñëåííûå ìåòîäû, ïðèãîäíûå äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è Êîøè.
ðåôåðàò [183,1 K], äîáàâëåí 24.08.2015Ìåòîäû îöåíêè ïîãðåøíîñòè èíòåðïîëèðîâàíèÿ. Èíòåðïîëèðîâàíèå àëãåáðàè÷åñêèìè ìíîãî÷ëåíàìè. Ïîñòðîåíèå àëãåáðàè÷åñêèõ ìíîãî÷ëåíîâ íàèëó÷øåãî ñðåäíåêâàäðàòè÷íîãî ïðèáëèæåíèÿ. ×èñëåííûå ìåòîäû ðåøåíèÿ çàäà÷è Êîøè äëÿ îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé.
ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà [265,6 K], äîáàâëåí 14.08.2010Ðåøåíèå çàäà÷è îá îïòèìàëüíîì íàïðàâëåíèè êàïèòàëîâëîæåíèé â ñòðîèòåëüíóþ îòðàñëü è îïòèìèçàöèè ïîñòàâêè ãðóçîâ. Ïðèìåíåíèå ñèìïëåêñ-ìåòîäà äëÿ îïòèìàëüíîé îðãàíèçàöèè ðåìîíòíî-ñòðîèòåëüíûõ ðàáîò. Èçó÷åíèå ìåòîäîâ äèíàìè÷åñêîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ.
êîíòðîëüíàÿ ðàáîòà [2,2 M], äîáàâëåí 08.01.2011Ïðèìåíåíèå ôóíêöèè Ëàãðàíæà â âûïóêëîì è ëèíåéíîì ïðîãðàììèðîâàíèè. Ïðîñòåéøàÿ çàäà÷à Áîëüöà è êëàññè÷åñêîãî âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ. Èñïîëüçîâàíèå óðàâíåíèÿ Ýéëåðà-Ëàãðàíæà äëÿ ðåøåíèÿ èçîïåðèìåòðè÷åñêîé çàäà÷è. Êðàåâûå óñëîâèÿ äëÿ íàõîæäåíèÿ êîíñòàíò.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [1,2 M], äîáàâëåí 16.01.2013Îïèñàíèå ìåòîäîâ ðåøåíèÿ ñèñòåìû ëèíåéíîãî àëãåáðàè÷åñêîãî óðàâíåíèÿ: îáðàòíîé ìàòðèöû, ßêîáè, Ãàóññà-Çåéäåëÿ. Ïîñòàíîâêà è ðåøåíèå çàäà÷è èíòåðïîëÿöèè. Ïîäáîð ïîëèíîìèàëüíîé çàâèñèìîñòè ìåòîäîì íàèìåíüøèõ êâàäðàòîâ. Îñîáåííîñòè ìåòîäà ðåëàêñàöèè.
ëàáîðàòîðíàÿ ðàáîòà [4,9 M], äîáàâëåí 06.12.2011Îöåíêà íåèçâåñòíûõ âåëè÷èí ïî ðåçóëüòàòàì èçìåðåíèé, ñîäåðæàùèì ñëó÷àéíûå îøèáêè, ïðè ïîìîùè ìåòîäà íàèìåíüøèõ êâàäðàòîâ. Àïïðîêñèìàöèÿ ìíîãî÷ëåíàìè, îáçîð ñóùåñòâóþùèõ ìåòîäîâ àïïðîêñèìàöèè. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ ïîñòàíîâêà çàäà÷è àïïðîêñèìàöèè ôóíêöèè.
êóðñîâàÿ ðàáîòà [1,9 M], äîáàâëåí 12.02.2013