DR. NAGY TAMÁS. egyetemi docens. Miskolci Egyetem Alkalmazott Matematikai Tanszék



Hasonló dokumentumok
DR. NAGY TAMÁS. egyetemi docens. Miskolci Egyetem Alkalmazott Matematikai Tanszék

ALGORITMUSAI. DR. NAGY TAMÁS egyetemi docens. Miskolci Egyetem Alkalmazott Matematikai Tanszék

DIFFERENCIÁLÁS, GRADIENS VEKTOR, HESSE MÁTRIX, LÁNCSZABÁLY,

Nemlineáris programozás 2.

ÉS TESZTEK A DEFINITSÉG

Függvények július 13. f(x) = 1 x+x 2 f() = 1 ()+() 2 f(f(x)) = 1 (1 x+x 2 )+(1 x+x 2 ) 2 Rendezés után kapjuk, hogy:

KONVEX HALMAZ, FARKAS TÉTEL, GORDAN TÉTEL, EXTREMÁLIS PONT, EXTREMÁLIS IRÁNY, LINEÁRIS PROGRAMOZÁS ELMÉLETE

2. SZÉLSŽÉRTÉKSZÁMÍTÁS. 2.1 A széls érték fogalma, létezése

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

A szimplex algoritmus

Nemkonvex kvadratikus egyenlőtlenségrendszerek pontos dualitással

Kétváltozós függvények differenciálszámítása

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

7. gyakorlat. Lineáris algebrai egyenletrendszerek megoldhatósága

Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. 4. Előadás

1. Homogén lineáris egyenletrendszer megoldástere

Lagrange-féle multiplikátor módszer és alkalmazása

Lineáris egyenletrendszerek

A lineáris programozás alapjai

4. Előadás: Erős dualitás

Konjugált gradiens módszer

1. Parciális függvény, parciális derivált (ismétlés)

Végeselem modellezés alapjai 1. óra

A legjobb közeĺıtés itt most azt jelentette, hogy a lineáris

Egészrészes feladatok

Boros Zoltán február

Mátrixjátékok tiszta nyeregponttal

Opkut deníciók és tételek

A L Hospital-szabály, elaszticitás, monotonitás, konvexitás

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

10. Előadás. 1. Feltétel nélküli optimalizálás: Az eljárás alapjai

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

A KroneckerCapelli-tételb l következik, hogy egy Bx = 0 homogén lineáris egyenletrendszernek

Optimalizálás alapfeladata Legmeredekebb lejtő Lagrange függvény Log-barrier módszer Büntetőfüggvény módszer 2017/

valós számot tartalmaz, mert az ilyen részhalmazon nem azonosság.

Konvex optimalizálás feladatok

Matematika III előadás

SCILAB programcsomag segítségével

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Taylor-polinomok. 1. Alapfeladatok április Feladat: Írjuk fel az f(x) = e 2x függvény másodfokú Maclaurinpolinomját!

Dualitás Dualitási tételek Általános LP feladat Komplementáris lazaság 2017/ Szegedi Tudományegyetem Informatikai Intézet

7. gyakorlat. Lineáris algebrai egyenletrendszerek megoldhatósága

Gauss-Jordan módszer Legkisebb négyzetek módszere, egyenes LNM, polinom LNM, függvény. Lineáris algebra numerikus módszerei

6. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 6. előadás Bázis, dimenzió

Matematika III előadás

Szakdolgozat. Miskolci Egyetem. Nemlineáris programozás. Készítette: Horváth Gábor Programtervező informatikus hallgató

LINEÁRIS PROGRAMOZÁSI FELADATOK MEGOLDÁSA SZIMPLEX MÓDSZERREL

Lineáris leképezések. Wettl Ferenc március 9. Wettl Ferenc Lineáris leképezések március 9. 1 / 31

Operációkutatás. Vaik Zsuzsanna. ajánlott jegyzet: Szilágyi Péter: Operációkutatás

Norma Determináns, inverz Kondíciószám Direkt és inverz hibák Lin. egyenletrendszerek A Gauss-módszer. Lineáris algebra numerikus módszerei

11. Előadás. 11. előadás Bevezetés a lineáris programozásba

3. Lineáris differenciálegyenletek

ALGORITMUSAI DR. NAGY TAMÁS. egyetemi docens. Miskolci Egyetem Alkalmazott Matematikai Tanszék

út hosszát. Ha a két várost nem köti össze út, akkor legyen c ij = W, ahol W már az előzőekben is alkalmazott megfelelően nagy szám.

Bázistranszformáció és alkalmazásai 2.

11. Előadás. 1. Lineáris egyenlőség feltételek melletti minimalizálás

Numerikus módszerek 1.

Az impulzusnyomatékok általános elmélete

Nemlineáris optimalizálás Dr. Házy, Attila

MATE-INFO UBB verseny, március 25. MATEMATIKA írásbeli vizsga

Dierenciálhányados, derivált

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

Optimalizálási eljárások GYAKORLAT, MSc hallgatók számára. Analízis R d -ben

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, Leontyev-modell

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

Operációkutatás. 4. konzultáció: Szállítási feladat. A feladat LP modellje

5 = hiszen és az utóbbi mátrix determinánsa a középs½o oszlop szerint kifejtve: 3 7 ( 2) = (példa vége). 7 5 = 8. det 6.

FELVÉTELI VIZSGA, július 21. Írásbeli próba MATEMATIKÁBÓL A. RÉSZ

összeadjuk 0-t kapunk. Képletben:

Függvények határértéke, folytonossága

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Totális Unimodularitás és LP dualitás. Tapolcai János

Többváltozós, valós értékű függvények

Első zárthelyi dolgozat megoldásai biomatematikából * A verzió

9. Előadás. (9. előadás) Lineáris egyr.(3.), Sajátérték április / 35

0-49 pont: elégtelen, pont: elégséges, pont: közepes, pont: jó, pont: jeles

Szemidenit optimalizálás és az S-lemma

Dierenciálhatóság. Wettl Ferenc el adása alapján és

Analízisfeladat-gyűjtemény IV.

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, mátrixegyenlet

GAZDASÁGMATEMATIKA KÖZÉPHALADÓ SZINTEN

3. Vírusmentes e-levelemet a kolléga számítógépe fert½ozte meg érkezéskor.

0 ; a k ; :::) = ( 0: x = (0; 1; 0; 0; :::; 0; :::) = (0; 1)

: s s t 2 s t. m m m. e f e f. a a ab a b c. a c b ac. 5. Végezzük el a kijelölt m veleteket a változók lehetséges értékei mellett!

10. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 10. előadás Sajátérték, Kvadaratikus alak

Gazdasági Matematika I. Megoldások

A lineáris programozás alapfeladata Standard alak Az LP feladat megoldása Az LP megoldása: a szimplex algoritmus 2018/


Többváltozós, valós értékű függvények

4. Fuzzy relációk. Gépi intelligencia I. Fodor János NIMGI1MIEM BMF NIK IMRI

Határozott integrál és alkalmazásai

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

A lineáris programozás alapfeladata Standard alak Az LP feladat megoldása Az LP megoldása: a szimplex algoritmus 2017/

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

Átírás:

FELTÉTELES OPTIMALIZÁLÁS DR. NAGY TAMÁS egyetemi docens Miskolci Egyetem Alkalmazott Matematikai Tanszék A bemutatott kutató munka a TÁMOP-4...B-0//KONV-00-000 jel½u projekt részeként az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társ nanszírozásával valósul meg This research was carried out as part of the TAMOP-4...B-0//KONV-00-000 project with support by the European Union, co- nanced by the European Social Fund. Miskolc, 0

TARTALOMJEGYZÉK Tartalomjegyzék Bevezetés Javító irányok és lehetséges irányok kúpja Geometriai szükséges feltétel 4 Javító irányok és lehetséges irányok kúpjának karakterizációja 4 5 Szükséges feltételek egyenl½otlenségi el½oírások mellett 6 5. Geometriai-algebrai szükséges feltétel...................... 6 5. Fritz John szükséges feltételek.......................... 7 5. Karush-Kuhn-Tucker szükséges feltételek.................... 6 Szükséges feltételek egyenl½otlenségi és egyenl½oségi el½oírások mellett 7 6. Geometriai-algebrai szükséges feltétel...................... 7 6. Fritz John szükséges feltételek.......................... 8 6. Karush-Kuhn-Tucker szükséges feltételek.................... 9 7 Elégséges feltételek 7. Lagrange függvény................................ 7. Elégséges feltételek................................ 7.. Tételek az optimalitás elégséges feltételeire............... 7.. Amikor a szükséges feltétel elégséges is................. 9 8 Lagrange függvény használata a példamegoldásban 0 9 Regularitási feltételek 9. Linearitási regularitási feltétel.......................... 9. Slater-féle regularitási feltétel.......................... 4 9. Lineáris függetlenségi és Slater-féle regularitási feltétel............. 6 0 Nem standard optimalizálási feladatok 7 0. Maximum feladat................................. 7 0. Vegyes egyenl½otlenséges feltétel½u feladat.................... 40 0. Extrémum feladat................................. 4 0.4 Nemnegativitási feltételes feladat........................ 4 Példamegoldások 47 Érzékenységvizsgálat 98. Célfüggvény érzékenységvizsgálata (burkolótétel)................ 98. Döntési változók érzékenységvizsgálata..................... 00. Lagrange szorzók értelmezése.......................... 0

. BEVEZETÉS. Bevezetés Azt az optimalizálási feladatot, amelyben az x R n döntési változóra az x D f R n, ill. az x X R n kikötések (D f az f(x) függvény értelmezési tartománya, ill. az X egy nyílt halmaz) mellett egyéb el½oírásokat teszünk, feltételes optimalizálási feladatnak nevezzük. A feltételeket meghatározó halmazt S-el fogjuk jelölni és feltételi halmaznak vagy megengedett (lehetséges) megoldások halmazának nevezzük. A feladatunk az, hogy megkeressük az S halmaz azon pontját, amelyben az f : R n! R függvény a legkisebb értéket veszi fel. Ezt a függvényt célfüggvénynek nevezzük. A feltételes optimalizálási feladat jelölésére az alábbiakat szokás használni: min ff(x) : x Sg vagy min ff(x)g vagy f(x) xs xs! min!. Javító irányok és lehetséges irányok kúpja DEFINÍCIÓ (Javító irányok kúpjának de níciója)legyen az f : R n! R függvény. Az f függvény x R n pontbeli javító irányok kúpjának (kónuszának) nevezzük és F -vel jelöljük az alábbiakban de niált halmazt: F = fd : d R n ; d 6= 0; f(x + d) < f(x) minden (0; )-ra valamely > 0 eseténg : Minden d F vektort javító (csökkent½o) iránynak nevezünk. A de níció szerint tehát minden olyan d irányt javító (csökkent½o) iránynak nevezünk, amely irányba az x pontból legalább egy kicsit folytonosan elmozdulva a célfüggvény értéke mindig kisebb, mint az x pontbeli célfüggvény érték. DEFINÍCIÓ (Lehetséges irányok kúpjának de níciója) Legyen S R n nemüres halmaz és legyen x cl S, azaz x az S halmaz lezártjának egy pontja. Az S halmaz x pontbeli lehetséges irányok kúpjának (kónuszának) nevezzük és D-vel jelöljük az alábbiakban de niált halmazt: D = fd : d R n ; d 6= 0; x + d S; minden (0; )-ra valamely > 0 eseténg : Minden d D vektort lehetséges iránynak nevezünk. A de níció szerint tehát minden olyan d irányt lehetséges iránynak nevezünk, amely irányba az x pontból legalább egy kicsit folytonosan elmozdulva mindig benne maradunk az S tartományban.. Geometriai szükséges feltétel TÉTEL (geometriai szükséges feltétel) Legyen S R n nemüres halmaz és f : S! R függvény. Tekintsük az alábbi feltételes optimalizálási feladatot: min ff(x) : x Sg : Ha x S lokális minimumpont, akkor F \ D = ;;

4. JAVÍTÓ IRÁNYOK ÉS LEHETSÉGES IRÁNYOK KÚPJÁNAK KARAKTERIZÁCIÓJA 4 ahol F az f függvény S halmaz x pontbeli javító (csökken½o) irányok kúpja, D az S halmaz x pontbeli lehetséges irányok kúpja. A tétel azt fejezi ki, hogy lokális minimumpont esetén nincs olyan irány, amely irányban ha elmozdulnánk, akkor a tartományban is benne maradnánk és a célfüggvény is javulna. Bizonyítás Indirekte tegyük fel, hogy F \ D 6= ;. Ekkor létezik olyan d 6= 0 vektor, amelyre d F és d D. Ez azt jelenti, hogy a d vektor javító irány is és egyben lehetséges irány is. Ez pedig ellentmond annak, hogy az x pont optimális (minimális) megoldás. Q.e.d. 4. Javító irányok és lehetséges irányok kúpjának karakterizációja Az optimalitás geometriai szükséges feltételében különösebb megkötést nem tettünk sem az f(x) célfüggvényre, sem az S feltételi halmazra, így a tétel túl általános. Az alábbi két tételben már bizonyos el½oírásokat teszünk a célfüggvényre és a feltételi halmazra, ezek felhasználásával adjuk meg az optimalizálásban fontos szerepet játszó javító és lehetséges irányok kúpját. Az alábbi tételben feltesszük, hogy a célfüggvény di erenciálható. TÉTEL (javító irányok kúpjának karakterizációja) Legyen f : R n! R függvény di erenciálható az x R n pontban. Ekkor az halmaz javító irányok kúpja és F 0 F: F 0 = fd : rf(x)d < 0g Bizonyítás Legyen d F 0 vektor és > 0 skalár. Az f függvény x pontbeli di erenciálhatósága miatt írhatjuk, hogy f(x + d) = f(x) + rf(x)d + kdk (x; d); ahol lim!0 (x; d) = 0. Osszuk be az egyenletet > 0 számmal és rendezzük, ekkor f(x + d) f(x) = rf(x)d + kdk (x; d): A rf(x)d < 0 és a! 0 határátmenetb½ol következik, hogy létezik > 0 szám úgy, hogy f(x + d) f(x) < 0 minden (0; ) esetén. Ez pedig azt jelenti, hogy a d F 0 vektor javító irány. következik, hogy d F, így F 0 F. Q.e.d. Mivel a d F 0 összefüggésb½ol A továbbiakban az S halmazt függvények segítségével fogjuk megadni. A függvényekre folytonossági és di erenciálhatósági el½oírást fogunk tenni.

4. JAVÍTÓ IRÁNYOK ÉS LEHETSÉGES IRÁNYOK KÚPJÁNAK KARAKTERIZÁCIÓJA 5 Legyen az S feltételi halmaz az alábbi S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg : ahol g ; g ; : : : ; g m : R n! R függvények és X R n nemüres nyílt halmaz. DEFINÍCIÓ (Aktív és inaktív feltételek) Tekintsük az S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg feltételi halmazt és egy x S pontot. A g i (x) függvény aktív az x S pontban, ha g i (x) = 0, inaktív, ha g i (x) < 0. TÉTEL (lehetséges irányok kúpjának karakterizációja) Legyen S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg ; ahol g ; g ; : : : ; g m : R n! R függvények és X R n nemüres nyílt halmaz. Legyen adott egy x S, legyen I = fi : g i (x) = 0g az aktív feltételi függvények indexhalmaza. Tegyük fel, hogy a g i ; i I függvények az x pontban di erenciálhatók, a g i ; i = I függvények az x pontban folytonosak. Ekkor a G 0 = fd : rg i (x)d < 0; i Ig halmaz az S halmaz x pontbeli lehetséges irányok kúpja és G 0 D: Bizonyítás Legyen d G 0 vektor és > 0 skalár. Ahhoz, hogy kimutassuk a d vektorról, hogy lehetséges irány, három oldalról kell vizsgálódnunk. a) Mivel x S, így x X is igaz. Az X halmaz nyílt, ebb½ol következik, hogy létezik > 0 szám úgy, hogy x + d X minden (0; ) esetén. b) Most vizsgáljuk meg a g i ; i = I inaktív feltételi függvényeket. A g i (x) < 0 és az x pontbeli folytonosság miatt létezik > 0 szám úgy, hogy minden i = I indexre g i (x + d) 5 0 minden (0; ) esetén. c) Végül pedig vizsgáljuk meg a g i ; i I aktív feltételi függvényeket. Az aktív függvények x pontbeli di erenciálhatósága miatt írhatjuk, hogy minden i I indexre g i (x + d) = g i (x) + rg i (x)d + kdk (x; d); ahol lim!0 (x; d) = 0. Osszuk be az egyenletet > 0 számmal, rendezzük és vegyük gyelembe, hogy g i (x) = 0, ekkor g i (x + d) = rg i (x)d + kdk (x; d): A rg i (x)d < 0 és a! 0 határátmenetb½ol következik, hogy létezik > 0 szám úgy, hogy g i (x + d) < 0 minden (0; ) esetén. Összefoglalva a vizsgálatainkat, legyen = min f ; ; g > 0;

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 6 ekkor pedig igaz minden (0; ) esetén, hogy x + d X g i (x + d) 5 0; i = I g i (x + d) < 0; i I Ezekb½ol az összefüggésekb½ol következik, hogy x+d S, ez pedig azt jelenti, hogy a d G 0 vektor lehetséges irány. Mivel a d G 0 összefüggésb½ol következik, hogy d D, így G 0 D. Q.e.d. 5. Szükséges feltételek egyenl½otlenségi el½oírások mellett El½oször azt az optimalizálási feladatot vizsgáljuk, amelynél a feltételi halmaz leírásában csak egyenl½otlenségek szerepelnek, majd kés½obb egyenl½oségeket is meg fogunk engedni. A történeti h½uség miatt meg kell jegyezni, hogy id½oben el½oször az egyenl½oséges feltételek vizsgálatával foglalkoztak. J. L. Lagrange (76-8) francia matematikus alkotta meg a róla elnevezett Lagrange multiplikátor (szorzó) módszert, majd 50 évvel kés½obb születtek meg az optimalizálás további elméleti eredményei. Tekintsük a g ; g ; : : : ; g m : R n! R függvényeket és az X R n nemüres nyílt halmazt, ezek segítségével az alábbiak szerint adjuk meg az S halmazt: S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg : Az optimalizálási feladat a következ½o formákban adható meg: vagy más formában felírva min ff(x) : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg f(x)! min! g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; m x X R n ; (X nyílt halmaz) 5.. Geometriai-algebrai szükséges feltétel TÉTEL (geometriai-algebrai szükséges feltétel) Tekintsük a min ff(x) : x Sg optimalizálási feladatot, amelyben a S feltételi halmaz az alábbi: S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg ; ahol X R n nemüres nyílt halmaz, f; g ; g ; : : : ; g m : R n! R függvények. Legyen adott egy x S, legyen I = fi : g i (x) = 0g az aktív feltételi függvények indexhalmaza. Tegyük fel, hogy az f; g i ; i I függvények az x pontban di erenciálhatók, a g i ; i = I függvények az x pontban folytonosak. Ha x lokális minimumpont, akkor F 0 \ G 0 = ;;

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 7 ahol F 0 = fd : rf(x)d < 0g és G 0 = fd : rg i (x)d < 0; i Ig. Bizonyítás Indirekte tegyük fel, hogy F 0 \G 0 6= ;. Ekkor létezik olyan d 6= 0 vektor, amelyre d F 0 és d G 0. A karakterizációs tételek alapján a d vektor javító irány is és egyben lehetséges irány is. Ez pedig ellentmond annak, hogy az x pont optimális (minimális) megoldás. Q.e.d. Az alábbiakban a feltételes optimalizálás szükséges feltételeit fogalmazzuk meg tételek formájában. Ezek az összefüggések adnak lehet½oséget az optimális megoldás megkeresésére. 5.. Fritz John szükséges feltételek TÉTEL (Fritz John szükséges feltételek I., 948) Tekintsük a min ff(x) : x Sg optimalizálási feladatot, amelyben a S feltételi halmaz az alábbi: S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg ; ahol X R n nemüres nyílt halmaz, f; g ; g ; : : : ; g m : R n! R függvények. Legyen adott egy x S pont, legyen I = fi : g i (x) = 0g az aktív feltételi függvények indexhalmaza. Tegyük fel, hogy az f; g i ; i I függvények az x pontban di erenciálhatók, a g i ; i = I függvények az x pontban folytonosak. Ha x lokális optimális megoldás, akkor léteznek u 0 ; u i ; i I számok úgy, hogy u 0 rf(x) + X ii u i rg i (x) = 0 (u 0 ; u I ) = 0 (u 0 ; u I ) 6= 0 ahol u I egy olyan vektor, amelynek komponensei u i = 0; i I. Bizonyítás A geometriai-algebrai szükséges feltétel szerint, ha az x S lokális optimális megoldás, akkor nincs olyan d R n vektor, hogy rf(x)d < 0 és rg i (x)d < 0; i I: A gradiens vektorokból képezzünk egy olyan A mátrixot, amelynek els½o oszlopa rf(x), a többi oszlopa pedig a rg i (x); i I vektorok. A geometriai-algebrai szükséges feltétel szerint a da < 0 rendszernek nincs megoldása. A Gordan tétel szerint ekkor létezik olyan p = 0; p 6= 0 vektor, hogy Ap = 0. Jelölje a p vektor els½o komponensét u 0, a többit pedig u i ; i I: Innen pedig következik a tétel állítása. Q.e.d. A tételben szerepl½o u 0 ; u i számokat Lagrange szorzóknak nevezik.. Példa Tekintsük az alábbi feltételes optimalizálási feladatot! f(x ; x ) = x + x! min! g (x ; x ) = x x 5 0 g (x ; x ) = x x + 4 5 0 g (x ; x ) = x + x 5 0 X = R

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 8 Tegyük fel, hogy ismerjük az optimális megoldást, amely x = (; ). Az aktív feltételi függvények I = fi : g i (x) = 0g indexhalmaza egyszer½u ellen½orzéssel meghatározható. Mivel az els½o és a harmadik feltétel nem egyenl½oséggel teljesül, a második igen, így I = fg. Megállapítható, hogy az x = (; ) pontban a célfüggvény és az aktív feltételi függvény (g ) di erenciálható, az inaktív feltételi függvények (g ; g ) pedig folytonosak, így a fenti tétel alkalmazható, azaz léteznek u 0 ; u számok. A szükséges gradiens vektorok az alábbiak x rf(x ; x ) = x ; rg (x ; x ) = A u 0 ; u Lagrange szorzó meghatározásához szükséges feltételek a tétel szerint 4 u 0 + u 4 = 0 A tétel tehát azt állítja, hogy u 0 ; u = 0 (u 0 ; u ) 6= 0 4u 0 u = 0 4u 0 u = 0 egyenletrendszernek van olyan megoldása, amelyben egyik szám sem negatív és legalább egyik pozitív. Ilyen megoldás mint látjuk valóban létezik, s½ot végtelen sok létezik. Az összes megoldás u 0 = ; u = 4, ahol > 0. A tétel azonban nem arra szolgál, hogy meghatározzuk az optimális megoldáshoz tartozó u i számokat, hanem arra, hogy megkeressük azokat a megoldásokat, amelyek kielégítik az optimális megoldáshoz szükséges feltételeket. Mint láttuk a tételben szükség volt az aktív feltételek indexhalmazára, ez pedig nem ismert, hisz nem ismerjük az optimális megoldást. Ezt a problémát úgy oldjuk fel, hogy minden feltételi függvényhez hozzárendelünk u i számokat, de az inaktív feltételekhez tartozóknak zérusnak kell lenni. Mivel nem tudjuk, melyek lesznek az aktív feltételek, így el½o kell írni az összes feltételi függvény di erenciálhatóságát. Most pedig következzen a tétel használható változata. TÉTEL (Fritz John szükséges feltételek II., 948) Tekintsük a min ff(x) : x Sg optimalizálási feladatot, amelyben a S feltételi halmaz az alábbi: S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg ; ahol X R n nemüres nyílt halmaz, f; g ; g ; : : : ; g m : R n! R függvények. Legyen adott egy x S pont. Tegyük fel, hogy az f; g i ; i = ; ; : : : ; m függvények az x pontban di erenciálhatók. Ha x lokális optimális megoldás, akkor léteznek u 0 ; u i ; i = ; ; : : : ; m számok úgy, hogy u 0 rf(x) + mx u i rg i (x) = 0 u i g i (x) = 0 i = ; ; : : : ; m (u 0 ; u) = 0 (u 0 ; u) 6= 0 :

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 9 ahol u egy olyan vektor, amelynek komponensei u i = 0; i = ; ; : : : ; m: Bizonyítás Ha minden i = ; ; : : : ; m indexre el½oírjuk, hogy u i g i (x) = 0, akkor ez a feltétel biztosítja, hogy az inaktív feltételek (g i (x) < 0) esetén u i = 0 legyen. Q.e.d. Gyakran szokták az alábbi elnevezéseket használni. Az x S lehetséges megoldásra vonatkozó g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; m x X feltételeket primál feltételeknek (P F ) nevezik. A tételben szerepl½o u 0 rf(x) + mx u i rg i (x) = 0 (u 0 ; u) = 0 (u 0 ; u) 6= 0 összefüggéseket duál feltételeknek (DF ) nevezik. A tételben szerepl½o u i g i (x) = 0; i = ; ; : : : ; m egyenl½oségeket pedig komplementaritási feltételnek (KF ) nevezik. Együttesen a primál feltételeket, a duál feltételeket és a komplementaritási feltételeket Fritz John optimalitási feltételeknek hívjuk. Bármely olyan x pontot, amelyre léteznek (u 0 ; u) Lagrange szorzók úgy, hogy az (x; u 0 ; u) vektor kielégíti a Fritz John optimalitási feltételeket Fritz John pontnak nevezünk. Felhívjuk az olvasó gyelmét a duál feltételre, amely azt fejezi ki, hogy optimális esetben a célfüggvény és a feltételi függvények gradiens vektorainak lineáris kombinációja zérus vektor. Az alábbi példában megmutatjuk, hogyan kell Fritz John pontot meghatározni.. Példa Határozzuk meg az alábbi optimalizálási feladathoz tartozó Fritz John pontot! f(x ; x ) = x + x! min! g (x ; x ) = x x 5 0 g (x ; x ) = x x + 4 5 0 g (x ; x ) = x + x 5 0 X = R Megoldás Mivel nem ismerjük az x FJ pontot, így az optimalizálási feladat függvényeinek minden pontban di erenciálhatóknak kell lenniük. Ez teljesül a példánkban. A szükséges gradiens vektorok és a gradiens vektorokra vonatkozó lineáris kombináció az alábbiak: x rf = x ; rg = ; rg = ; rg = ;

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 0 u 0 x x + u + u u 0 x + u u + u = 0 u 0 x u u + u = 0 u 0 ; u ; u ; u = 0 (u 0 ; u ; u ; u ) 6= 0 + u = 0: A Fritz John pont meghatározásához szükséges Fritz John optimalitási feltételek (DF; KF; P F ) az alábbiak szerint írhatók, vagyis az alábbi rendszert kell megoldani: 9 >= u (x x ) = 0 u ( x x + 4) = 0 u (x + x ) = 0 x x 5 0 x x + 4 5 0 x + x 5 0 DF >; 9 = ; KF 9 = ; P F A fenti rendszer meglehet½osen bonyolult, ezért javasoljuk a részekre bontását mégpedig úgy, hogy megoldását az u 0 ; u ; u ; u Lagrange szorzók értékeit½ol függ½oen 6 esetre bontjuk szét. A 6 eset közül csak kett½ot vizsgálunk meg, a többit az olvasóra bízzuk. Csupán a megoldás lényegét mutatjuk be, mivel a kés½obbiekben sok feladatot fogunk megoldani, de azoknál már nem Fritz John pontot határozunk meg.. eset) u 0 = u = u = 0; u > 0 A harmadik komplementaritási feltételb½ol (KF ) x + x = 0, mivel feltevésünk szerint u > 0. Ehhez az egyenlethez hozzávéve a duál feltétel (DF ) els½o két egyenletét, az alábbi egyenletrendszert kell megoldani: u = 0 u = 0 x + x = 0 Megoldásként az u = 0 adódik, amely nem lehet, hisz legalább egy Lagrange szorzónak pozitívnak kell lennie. Ez az eset tehát nem ad Fritz John pontot.. eset) u 0 > 0; u = 0; u > 0; u = 0 Az els½o két egyenletb½ol és a második komplementaritási feltételb½ol adódóan az alábbi egyenletrendszert kell megoldani: u 0 x u = 0 u 0 x u = 0 x x + 4 = 0 Az els½o két egyenletb½ol x = x adódik, a harmadikból pedig x =, x =. A Lagrange szorzók: u 0 = ; u = 4, ahol > 0. Ez a megoldás maradéktalanul teljesíti a többi Fritz John feltételt, így az x = (; ) vektor Fritz John pont az u 0 = ; u = 0; u = 4; u = 0 ( > 0) Lagrange szorzókkal úgy, hogy a g feltétel aktív, a g és a g feltétel inaktív. Megjegyzés:

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT A többi esetet megvizsgálva azt fogjuk kapni, hogy nincs több Fritz John pont.. Példa Határozzuk meg az alábbi optimalizálási feladathoz tartozó Fritz John pontot! x! min! (x ) = x x = 0 Megoldás A korábbi jelöléseknek megfelel½oen a feladat megszokott formája: f(x ; x ) = x g (x ; x ) = (x ) + x 5 0 g (x ; x ) = x 5 0 X = R A példa függvényei di erenciálhatók. A szükséges gradiens vektorok és a gradiens vektorokra vonatkozó lineáris kombináció: x (x rf = ; rg 0 = ) 0 ; rg = ; x (x u 0 + u ) 0 0 + u = 0: A Fritz John pont meghatározásához szükséges Fritz John optimalitási feltételek az alábbiak szerint írhatók, vagyis az alábbi rendszert kell megoldani: u 0 x u (x ) = 0 u u = 0 u (x ) + x = 0 u ( x ) = 0 (x ) + x 5 0 x 5 0 u 0 ; u ; u = 0 (u 0 ; u ; u ) 6= 0 A. egyenl½oség szerint u = u. A megoldást két részre bontjuk, egyik eset a u = u = 0, másik eset az u = u > 0. Nézzük az egyes eseteket. i) u = u = 0 eset Mivel mindhárom Lagrange szorzó nem lehet zérus, így u 0 -nak pozitívnak kell lenni. Ekkor az. egyenletb½ol x = 0 adódik. Az 5. sorbeli egyenl½otlenségb½ol pedig x 5, ami ellentmond a 6. sorbeli egyenl½otlenségnek (x = 0). Ez az eset tehát nem ad Fritz John pontot. ii) u = u > 0 eset A komplementaritási feltételekb½ol azonnal adódik az x = (; 0) pont. Az. egyenletb½ol pedig u 0 = 0 adódik. Az összes feltétel teljesül, így a Fritz John pont x = (; 0), a Lagrange szorzók pedig u 0 = 0; u = u =, ahol > 0.

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 5.. Karush-Kuhn-Tucker szükséges feltételek A fenti példában láttuk, hogy a Lagrange szorzók nem egyértelm½uen határozhatók meg, a következ½okben már csak olyan Lagrange szorzókkal foglalkozunk, amelynél kikötjük, hogy a célfüggvény együtthatójának (u 0 ) értéke legyen. Ehhez természetesen valamilyen el½oírásnak kell teljesülnie. TÉTEL (Karush-Kuhn-Tucker szükséges feltételek I., Karush 99; Kuhn, Tucker 95) Tekintsük a min ff(x) : x Sg optimalizálási feladatot, amelyben a S feltételi halmaz az alábbi: S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg ; ahol X R n nemüres nyílt halmaz, f; g ; g ; : : : ; g m : R n! R függvények. Legyen adott egy x S pont, legyen I = fi : g i (x) = 0g az aktív feltételi függvények indexhalmaza. Tegyük fel, hogy az f; g i ; i I függvények az x pontban di erenciálhatók, a g i ; i = I függvények az x pontban folytonosak. Tegyük fel továbbá, hogy a rg i (x); i I vektorok lineárisan függetlenek. Ha x lokális optimális megoldás, akkor léteznek egyértelm½uen olyan u i ; i I számok, hogy rf(x) + X ii u i rg i (x) = 0 u i = 0; i I Bizonyítás A Fritz John tétel szerint léteznek olyan u 0 ; ^u i ; i I számok, amelyek közül legalább egy pozitív, úgy, hogy u 0 rf(x) + X ii ^u i rg i (x) = 0 u 0 ; ^u i = 0; i I Amennyiben a rg i (x); i I gradiens vektorok lineárisan függetlenek, akkor szükségképpen u 0 > 0. Ha ugyanis u 0 = 0 lenne, akkor a lineáris függetlenség miatt minden ^u i számnak is zérusnak kellene lenni, pedig az összes között legalább egynek pozitívnak kell lennie. Az u 0 > 0 számmal való végigosztás és a u i = ^u i u 0 választással a tétel állítása azonnal adódik. A tétel tehát azt fejezi ki, hogy optimális megoldásnál a célfüggvény gradiens vektorának ( )-szerese el½oállítható az aktív feltételi függvények nemnegatív lineáris kombinációjával. Az u i ; i I számok egyértelm½u létezése pedig abból az ismert tételb½ol fakad, miszerint a lineárisan független vektorokkal történ½o el½oállítás egyértelm½u. Q.e.d. A tétel jobb megértése végett tekintsük azt a kétváltozós (x = (x ; x ) optimalizálási feladatot, amelyben három feltételi függvény van, a feltételek tehát: g (x) 5 0; g (x) 5 0; g (x) 5 0. A feltételi függvények meghatározzák a feltételi halmazt, amelyet az (x ; x ) síkon az alábbi ábra mutat. Ezt úgy kell meghatározni, hogy ábrázoljuk a g i (x) = 0 (i = ; ; ) függvényeket, amelyek egy-egy görbét jelentenek. Megállapítjuk azokat a tartományokat, ahol g i (x) 5 0, ezek a tartományok a görbéknek és valamelyik oldaluknak a pontjaiból állnak. A három tartomány közös része alkotja az optimalizálási feladat feltételi halmazát.

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT Legyen adott az x pont (az ábrában x 0 -al jelöltük), amely a g (x) = 0 és a g (x) = 0 görbék metszéspontjában van. Így az els½o és második feltétel aktív, a harmadik feltétel inaktív. Ez utóbbi az optimalizálás vizsgálatában semmiféle szerepet nem fog játszani. Most kiszámítjuk az x = x 0 pontban a célfüggvény és az aktív feltételi függvények gradiensét, ezeket ábrázoljuk. Az aktív feltételek gradiens vektorát könny½u berajzolni, mert mint tudjuk, a gradiens vektor a szintvonalra mer½oleges, tehát a g (x) = 0, ill. a g (x) = 0 görbékre mer½oleges az aktív feltételek gradiens vektora. Az is tudjuk, hogy a tartomány belsejében g i (x) < 0, a határán g i (x) = 0, kívül g i (x) > 0. A gradiens pedig a függvény legnagyobb növekedésének irányába mutat. Ebb½ol következik, hogy ezek a gradiens vektorok a tartományból kifelé mutatnak. A példában láthatjuk, hogy az aktív feltételek gradiens vektorai lineárisan függetlenek, tehát a fenti tétel kikötése fennáll. A optimalizálás szükséges feltétele a következ½ot mondja ki. Ha az x = x 0 pontról tudjuk, hogy az lokális minimumpont, akkor a célfüggvény gradiens vektorának ( )-szerese el½oállítható az aktív feltételi függvények gradienseinek nemnegatív lineáris kombinációjával. Szemléletesen ez azt jelenti, hogy a rf(x) vektor az aktív feltételi függvények gradiensei által meghatározott kúpban van. Ne feledkezzünk meg arról, hogy a tétel azt nem állítja, hogy ilyen esetben egy x = x 0 pont lokális minimumpont lenne. A kúpban való elhelyezkedés csak szükséges el½oírás, de nem biztos, hogy elegend½o is ahhoz, hogy optimális pont legyen az x = x 0 pont. Mint láttuk az aktív feltételekhez tartozó gradiens vektorok lineáris függetlensége biztosította a célfüggvényhez tartozó u 0 szorzó pozitivitását. Más feltételek is biztosítják u 0 pozitivitását. Ezeket a feltételeket regularitási feltételeknek nevezzük. Az olyan lehetséges megoldást, amelynél ezek a regularitási feltételek is fennállnak reguláris megoldásnak (reguláris pontnak) nevezzük. DEFINÍCIÓ (Reguláris pont egyik de níciója)

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 4 Az x S lehetséges megoldást regulárisnak nevezzük, ha az aktív feltételekhez tartozó rg i (x); i I vektorok lineárisan függetlenek. A következ½okben a fenti tétel (Karush-Kuhn-Tucker szükséges feltételek I.) használhatóbb változatát ismertetjük. TÉTEL (Karush-Kuhn-Tucker szükséges feltételek II., Karush 99; Kuhn, Tucker 95) Tekintsük a min ff(x) : x Sg optimalizálási feladatot, amelyben a S feltételi halmaz az alábbi: S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; mg ; ahol X R n nemüres nyílt halmaz, f; g ; g ; : : : ; g m : R n! R függvények. Legyen adott egy x S pont, legyen I = fi : g i (x) = 0g az aktív feltételi függvények indexhalmaza. Tegyük fel, hogy az f; g i ; i = ; ; : : : ; m függvények az x pontban di erenciálhatók. Tegyük fel továbbá, hogy a rg i (x); i I vektorok lineárisan függetlenek, azaz az x S reguláris pont. Ha x lokális optimális megoldás, akkor léteznek egyértelm½uen olyan u i ; i = ; ; : : : ; m számok, hogy rf(x) + mx u i rg i (x) = 0 u i g i (x) = 0; i = ; ; : : : ; m u i = 0; i = ; ; : : : ; m Bizonyítás Ha minden i = ; ; : : : ; m indexre el½oírjuk, hogy u i g i (x) = 0, akkor ez a feltétel biztosítja, hogy az inaktív feltételek (g i (x) < 0) esetén u i = 0 legyen. Q.e.d. Hasonlóan a Fritz John tételnél mondottakhoz a tételben szerepl½o u i számokat Lagrange szorzóknak nevezik. Az x S lehetséges megoldásra vonatkozó feltételeket primál feltételeknek nevezzük. A tételben szerepl½o rf(x) + mx u i rg i (x) = 0 u i = 0 i = ; ; : : : ; m összefüggéseket duál feltételeknek nevezzük. Az u i g i (x) = 0 egyenl½oséget pedig komplementaritási feltételnek nevezzük. Együttesen a primál feltételeket (P F ), a duál feltételeket (DF ) és a komplementaritási feltételeket (KF ) Karush-Kuhn-Tucker optimalitási feltételeknek (KKT) hívjuk. Bármely olyan x pontot, amelyre léteznek u = (u ; u ; : : : ; u m ) Lagrange szorzók úgy, hogy az (x; u) vektor kielégíti a Karush-Kuhn-Tucker optimalitási feltételeket Karush-Kuhn-Tucker pontnak (röviden KKT pontnak) nevezünk. Amennyiben a rg i (x); i I vektorok lineárisan függetlenek, akkor a Lagrange szorzók egyértelm½uen meghatározottak. 4. Példa

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 5 Határozzuk meg az alábbi optimalizálási feladathoz tartozó Karush-Kuhn-Tucker (KKT) pontot! x x! min! 4x + x 5 8 Megoldás A korábbi jelöléseknek megfelel½oen a feladat megszokott formája: f(x ; x ) = x x g(x ; x ) = 4x + x 8 5 0 X = R A példa függvényei di erenciálhatók. A szükséges gradiens vektorok és a gradiens vektorokra vonatkozó lineáris kombináció: x 8x rf = ; rg = ; x x x 8x + u = 0: x x A KKT pont meghatározásához szükséges KKT optimalitási feltételek (DF; KF; P F ) az alábbiak szerint írhatók, vagyis az alábbi rendszert kell megoldani: 9 x + 8ux = 0 = x + ux = 0 ; DF u = 0 u(4x + x 8) = 0 KF 4x + x 8 5 0 P F Az u Lagrange szorzóra vonatkozó nemnegativitási feltételnek megfelel½oen a megoldást két részre bontjuk, egyik eset az u > 0, másik eset az u = 0. Nézzük az egyes eseteket. i) u > 0 eset A komplementaritási feltételb½ol következik, hogy az 5. sorbeli egyenl½otlenség egyenl½oség lesz, azaz a feltétel aktív lesz. Ekkor az.,. és az 5. sorban szerepl½o most már egyenletb½ol az alábbi egyenletrendszert kell megoldani az x ; x ; u mennyiségek meghatározásához x + 8ux = 0 x + ux = 0 4x + x 8 = 0 Az egyenletrendszerre négy megoldást kapunk, melyek az alábbiak i x x u =4 =4 =4 4 =4

5. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 6 Ezekb½ol a megoldásokból csak az els½o kett½o KKT pont, mivel ezeknél pozitív a Lagrange szorzó. ii) u = 0 eset Az.,. sorban szerepl½o egyenletekb½ol egyszer½uen adódik, hogy x = 0; x = 0: Az 5. sorbeli egyenl½otlenség is fennáll, így az x = (0; 0) pont KKT pont az u = 0 Lagrange szorzóval. Összefoglalva három KKT pont adódott, amelyek a Lagrange szorzóikkal együtt az alábbiak:. KKT pont: x = ; x = ; u =, a feltétel aktív. 4. KKT pont: x = ; x = ; u =, a feltétel aktív. 4. KKT pont: x = 0; x = 0; u = 0, a feltétel inaktív. Mint tudjuk a KKT pontok csupán az optimum szükséges feltételeit elégítik ki, e három pont tehát nem biztos, hogy optimális megoldás. Az optimalitás elégséges feltételei fogják megmutatni, hogy ezek között melyek optimálisak. 5. Példa Határozzuk meg az alábbi optimalizálási feladathoz tartozó Karush-Kuhn-Tucker (KKT) pontot! x! min! (x ) = x x = 0 Megoldás Ez a példa azonos a Fritz John pontnál tárgyalt. példával, de most KKT pontot akarunk meghatározni. A KKT pont meghatározásához az alábbi rendszert kell megoldani: x u (x ) = 0 u u = 0 u (x ) + x = 0 u ( x ) = 0 (x ) + x 5 0 x 5 0 u ; u = 0 A. egyenl½oség szerint u = u. A megoldást két részre bontjuk, egyik eset a u = u = 0, másik eset az u = u > 0. Nézzük az egyes eseteket. i) u = u = 0 eset Az. egyenletb½ol x = 0 adódik. Az 5. sorbeli egyenl½otlenségb½ol pedig x 5 ellentmond a 6. sorbeli egyenl½otlenségnek., ami ii) u = u > 0 eset

6. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI ÉS EGYENL½OSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 7 A komplementaritási feltételekb½ol azonnal adódik, hogy x = 0; x =, azaz az x = (; 0) pont. Azonban az. egyenlet nem teljesül. A két esetet egybevetve tehát nincs KKT pont. Egyébként ennek a feladatnak az optimális megoldása x = (; 0). Valószín½u az olvasó meglep½odik azon, hogy nem találtunk KKT pontot, így az optimális megoldást sem sikerült a KKT ponton keresztül meghatározni. Mi volt az oka, hogy nem találtunk KKT pontot? Az x = (; 0) pontban mindkét feltétel aktív, számítsuk ki ezekhez az aktív feltételekhez tartozó gradiens vektorokat, amelyek: rg (x) = (0; ), ill. rg (x) = (0; ). A KKT tétel csak akkor garantál KKT pontot, ha az aktív feltételekhez tartozó gradiens vektorok lineárisan függetlenek, esetünkben pedig ez nem áll fenn. Tehát nem teljesül a lineáris függetlenségi regularitási feltétel, ez okozta, hogy nem találtunk KKT pontot. 6. Szükséges feltételek egyenl½otlenségi és egyenl½oségi el½oírások mellett Ha az S feltételi halmaz megadásánál egyenl½oségi feltételek is szerepelnek, akkor egy általánosabb matematikai programozási feladatot kapunk, amely az alábbiak szerint írható: amelyben a S feltételi halmaz az alábbi: min ff(x) : x Sg ; S = fx : x X; g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; m; h i (x) = 0; i = ; ; : : : ; kg ; ahol X R n nemüres nyílt halmaz, f; g ; g ; : : : ; g m ; h ; h ; : : : ; h k : R n! R függvények. A továbbiakban az ilyen feladatot az alábbi formában írjuk le: f(x)! min! g i (x) 5 0 h i (x) = 0 x X i = ; ; : : : ; m i = ; ; : : : ; k 6.. Geometriai-algebrai szükséges feltétel TÉTEL (geometriai-algebrai szükséges feltétel) Legyen X R n nemüres nyílt halmaz, f; g ; g ; : : : ; g m ; h ; h ; : : : ; h k : R n! R függvények. Tekintsük az f(x)! min! g i (x) 0 i = ; ; : : : ; m h i (x) = 0 i = ; ; : : : ; k x X matematikai programozási feladatot. Tegyük fel, hogy x lokális optimális megoldás és legyen I = fi : g i (x) = 0g az aktív egyenl½otlenséges feltételi függvények indexhalmaza. Tegyük fel továbbá, hogy az f; g i ; i I függvények di erenciálhatók az x pontban, a g i ; i = I függvények folytonosak az x pontban és minden h i ; i = ; ; : : : ; k függvény folytonosan di erenciálható az x pontban.

6. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI ÉS EGYENL½OSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 8 Ha az x lokális optimális megoldásban a rh i (x); i = ; ; : : : ; k vektorok lineárisan függetlenek, akkor F 0 \ G 0 \ H 0 = ;, ahol F 0 = fd : rf(x)d < 0g G 0 = fd : rg i (x)d < 0 i Ig H 0 = fd : rh i (x)d = 0 i = ; ; : : : ; kg Az alábbiakban két szükséges feltételt mondunk ki tétel (FJ és KKT) formájában, de az el½oz½oekt½ol eltér½oen az I. és II. sorszámú tételeket összevonjuk. 6.. Fritz John szükséges feltételek TÉTEL (Fritz John szükséges feltételek) Legyen X R n nemüres nyílt halmaz, f; g ; g ; : : : ; g m ; h ; h ; : : : ; h k : R n! R függvények. Tekintsük az f(x)! min! g i (x) 5 0 i = ; ; : : : ; m h i (x) = 0 i = ; ; : : : ; k x X matematikai programozási feladatot. Legyen x lehetséges megoldás, legyen I = fi : g i (x) = 0g az aktív egyenl½otlenséges feltételi függvények indexhalmaza. Tegyük fel, hogy az f; g i ; i I függvények di erenciálhatók az x pontban, a g i ; i = I függvények folytonosak az x pontban és minden h i ; i = ; ; : : : ; k függvény folytonosan di erenciálható az x pontban. Ha x lokális optimális megoldás, akkor léteznek u 0 ; u i i I és v i i = ; ; : : : ; k számok úgy, hogy u 0 rf(x) + X ii u i rg i (x) + kx v i rh i (x) = 0 (u 0 ; u I ) = 0 (u 0 ; u I ; v) 6= 0 ahol u I egy olyan vektor, amelynek komponensei u i = 0; i I, a v pedig egy olyan vektor, amelynek komponensei v i R; i = ; ; : : : ; k. Továbbá, ha g i ; i = I függvények is di erenciálhatók az x pontban, akkor a fenti feltételeket az alábbi ekvivalens formában is írhatjuk: u 0 rf(x) + mx u i rg i (x) + kx v i rh i (x) = 0 u i g i (x) = 0 i = ; ; : : : ; m (u 0 ; u) = 0 (u 0 ; u; v) 6= 0 ahol u egy olyan vektor, amelynek komponensei u i = 0; i = ; ; : : : ; m; a v pedig egy olyan vektor, amelynek komponensei v i R; i = ; ; : : : ; k:

6. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI ÉS EGYENL½OSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 9 Bizonyítás Két esetet vizsgálunk a rh i (x) vektorok szerint: Ha a rh i (x); i = ; ; : : : ; k vektorok lineárisan összefügg½ok, akkor a v i számok között található nemzérus úgy, hogy k P v i rh i (x) = 0. Az u 0 ; u i ; i = ; ; : : : ; m számokat, ha zérusra választjuk, akkor a tétel állítása igaz. Ha a rh i (x); i = ; ; : : : ; k vektorok lineárisan függetlenek. A gradiens vektorokból képezzük az A és az A mátrixokat az alábbiak szerint. Az A mátrix els½o oszlopvektora legyen rf(x), a többi oszlopvektora pedig a rg i (x); i I vektorok. Az A mátrix oszlopvektorai legyenek a rh i (x); i = ; ; : : : ; k vektorok. Az x optimalitásának geometriai szükséges feltétele szerint a da < 0 da = 0 rendszernek nincs megoldása. Mivel a feltevés szerint az A mátrix oszlopvektorai lineárisan függetlenek, így a szeparációs tétel egyik (másik tananyagban ismertetett) következménye szerint léteznek olyan (x ; x ) 6= 0; x = 0 vektorok, hogy A x + A x = 0: Jelölje az x vektor els½o komponensét u 0, a többit pedig u i ; i I; az x vektor komponenseit pedig v i ; i = ; ; : : : ; k, innen pedig következik a tétel els½o része. Ha az összes indexre ki akarjuk terjeszteni a tételt, ez csak akkor lesz a tétel els½o részével ekvivalens, ha az u i értékek az i = I indexekre zérusak. Ezt úgy biztosíthatjuk, hogy minden i = ; ; : : : ; m indexre el½oírjuk, hogy u i g i (x) = 0. Könnyen látható, hogy i = I esetén, azaz, ha g i (x) < 0, akkor u i = 0 következik. Q.e.d. 6.. Karush-Kuhn-Tucker szükséges feltételek TÉTEL (Karush-Kuhn-Tucker szükséges feltételek) Legyen X R n nemüres nyílt halmaz, f; g ; g ; : : : ; g m ; h ; h ; : : : ; h k : R n! R függvények. Tekintsük az f(x)! min! g i (x) 5 0 i = ; ; : : : ; m h i (x) = 0 i = ; ; : : : ; k x X matematikai programozási feladatot. Legyen x lehetséges megoldás, legyen I = fi : g i (x) = 0g az aktív egyenl½otlenséges feltételi függvények indexhalmaza. Tegyük fel, hogy az f; g i ; i I függvények di erenciálhatók az x pontban, a g i ; i = I függvények folytonosak az x pontban és minden h i ; i = ; ; : : : ; k függvény folytonosan di erenciálható az x pontban. Tegyük fel továbbá, hogy a rg i (x); i I és a rh i (x); i = ; ; : : : ; k vektorok lineárisan függetlenek, más szóval az x lehetséges megoldás reguláris pont. Ha x lokális optimális megoldás, akkor léteznek egyértelm½uen olyan u i ; i I és v i ; i = ; ; : : : ; k számok, hogy rf(x) + X kx u i rg i (x) + v i rh i (x) = 0 ii u i = 0; i I

6. SZÜKSÉGES FELTÉTELEK EGYENL½OTLENSÉGI ÉS EGYENL½OSÉGI EL½OÍRÁSOK MELLETT 0 Továbbá, ha g i ; i = I függvények is di erenciálhatók az x pontban, akkor a fenti feltételeket az alábbi ekvivalens formában is írhatjuk: rf(x) + mx u i rg i (x) + kx v i rh i (x) = 0 u i g i (x) = 0; i = ; ; : : : ; m u i = 0; i = ; ; : : : ; m Bizonyítás A Fritz John tétel szerint léteznek olyan u 0 ; ^u i ; i I, v i i = ; ; : : : ; k számok, amelyek nem mindegyike zérus, úgy, hogy u 0 rf(x) + X ii kx ^u i rg i (x) + rh i (x) = 0 vi u 0 ; ^u i = 0 i I Amennyiben a rg i (x); i I és rh i (x); i = ; ; : : : ; k gradiens vektorok lineárisan függetlenek, akkor u 0 > 0. Ha ugyanis u 0 = 0 lenne, akkor a lineáris függetlenség miatt minden ^u i és v i számnak is zérusnak kellene lenni, pedig az összes között legalább egynek zérustól különböz½onek kell lennie. A u 0 > 0 számmal való végigosztás, valamint az u i = ^u i u 0, v i = v i u 0 választással a tétel els½o része azonnal adódik. A lineáris függetlenségi feltételezés biztosítja a Lagrange szorzók egyértelm½uségét. Az ekvivalens második rész is nyilvánvaló. Q.e.d. Az egyenl½oségeket és egyenl½otlenségeket is tartalmazó optimalizálási probléma esetén is használjuk az eddig ismertetett fogalmakat, nevezetesen a primál feltételek (P F ), duál feltételek (DF ), komplementaritási feltételek (KF ), Fritz-John (FJ) feltételek, ill. FJ pont, Karush-Kuhn-Tucker (KKT) feltételek, ill. KKT pont. A kés½obbiekben legtöbbször a KKT feltételeket használjuk, ezért összefoglalásképpen közöljük ezeket 9 g i (x) 5 0; i = ; ; : : : ; m = h i (x) = 0; i = ; ; : : : ; k ; P F x X 9 P rf(x) + m P u i rg i (x) + k = v i rh i (x) = 0 ; DF u i = 0; i = ; ; : : : ; m u i g i (x) = 0; i = ; ; : : : ; m KF 6. Példa Határozzuk meg az alábbi optimalizálási feladathoz tartozó Karush-Kuhn-Tucker (KKT) pontot! Megoldás x x + x 4x + 5! min! x + x 5 5 x + 4x = 6