优化理论与方法

优化问题 :eg:{min}_xf\left ( x \right ) st. x\in D,其中x在控制问题中被称为为控制决策变量;在数学优化中叫做决策量。无论是最优控制还是数学优化(数学规划)都是优化问题,即都是{min}_xf\left ( x \right ) st. x\in D这样的形式。

1. 优化的两个基本问题

  • 确定一个优化的必要或/和充分的条件(建模)。
  • 设计一个数值程序(算法的设计+程序的实现)。

遗传算法在弱优化或无约束优化问题中应用较好。

2. 优化的相关概念

静态    vs    动态    数学优化\leftrightarrow最优控制;

连续    vs   离散    数学优化的离散与连续问题\leftrightarrow控制问题的连续与离散问题;

凸   vs   非凸   既可能与目标有关,又可能与约束有关;

完美   vs   满意   结果的完美解与满意解;

严格   vs   启发   方法在数学上是否严格收敛到最优与否。

2.1 静态优化(参数优化、数学规划等方法)

  • 对变量进行优化;
  • 约束条件与目标为代数方程或不等式。

2.2 动态优化(变分问题、最优控制)

  • 对函数进行优化(例如最优决策路径)(函数未知)
  • 目标为积分型泛函;
  • 约束条件包含微分方程。

2.3 连续优化与离散优化

  • 可行域(决策空间)
  •     0-1规划
  •     整数规划
  • 时间序列
  •     离散时间的动态规划——差分描述
  •     连续时间的动态规划——微分描述

2.4 确定性优化与随机优化

  • DP 动态优化 确定性;
  • MDP Markov决策过程 随机性

2.5 凸与非凸

  • 凸集;
  • 凸函数

2.6 启发与随机化搜索

  • 启发式+随机化=高级启发或超级启发(遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法);

2.7 完美解与满意解

  • 一般需要对满意解进行评价

3 优化方法

迭代    vs   解析    计算机喜爱迭代方法,并且这种方法效率高;

串行    vs    并行    

求导    vs    搜索

点对点    vs    集到集

解析    vs    启发

注:结构知识绝对重要,搜索方法应当在结构信息的指导下进行搜索。启发、学习、人的才智以及软优化在求解方法中占有重要地位。

一些常用的迭代方法

  • 梯度法(利用了梯度结构信息)
  • 牛顿法(利用了梯度+Hessen矩阵等结构信息)
  • BFGS (共轭梯度结构信息)

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