María Jesús de la Fuente Aparicio Dpto. Ingeniería de ...maria/optimizacion_escalar_v1.pdf · conjuntos convexos es convexa. Definiciones • Función convexa La función J(x)

OPTIMIZACIÓN ESCALAR

María Jesús de la Fuente Aparicio

Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática

CONCEPTOS BÁSICOSDEFINICIONES

Definiciones• Optimo local (mínimo local)

Un punto x*∈F se denomina un mínimo local del problema de optimización si existe un entorno de  x* tal que para cualquier otro punto x ∈ F del entorno:

J(x*) ≤ J(x)

J(x)

xx*

Pueden existir varios óptimos localesJ(x)

xx1* x2*

Si se verifica la desigualdad estricta el óptimo es propio

J(x)

xx*

Mínimos impropios

Definiciones

• Optimo globalUn punto x* se denomina un mínimo global del problema de optimización si para cualquier punto x del conjunto factible F:

J(x*) ≤ J(x)xx*

Optimo global

J(x)

x

Problema no acotado

Si no existe ningún valor de x* ∈F tal que J(x*) ≤ J(x) el problema es no acotado y no existe mínimo

Definiciones• Continuidad

x

Continua en x0

x0

)x(J)x(Jlimexiste)x(J

existe)x(Jlim

0xx

0

xx

0

0

=→

→

xx0

discontinua en x0

Derivada no definida

Es importante para muchos algoritmos trabajar con funciones continuas y con derivadas continuas

Definiciones• Funciones MonótonasUna función f(x) es monótona creciente (o decreciente) si para cualesquiera dos puntos x1 y x2, donde x1 ≤ x2 se cumple que

( ) ( )21 xfxf ≤ Monótona creciente

( ) ( )21 xfxf ≥ Monótona decreciente

• Funciones UnimodalesUna función es unimodal si es monótona a ambos lados del mínimo. 

Definiciones• Conjunto factible

El conjunto S donde buscar la solución

En un problema de programación escalar: R o el intervalo [a,b]

En un problema de programación vectorial: R^n

En un problema de programación con restricciones: el conjunto de puntos que cumplen las resticciones.

0)x(g0)x(h

)x(Jmin

j

i

x

≤=

Definen la región de busqueda o conjunto factible F

J(x)

x2

x1

F

Definiciones

1h

• Factibilidad.

0)x(g0)x(h

)x(Jmin

j

i

x

≤=

Definen la región de busqueda o conjunto factible F

x2

x1

J1J2

J3F

Si no hay ningún punto x que satisfaga todas las restricciones, o sea si el conjunto factible F es vacío, el problema es no‐factible y no existe solución 

Definiciones• Convexidad.

x1

x2

J1J2

J3F

La forma de la región de búsqueda es importante para los algoritmos de optimización

FF convexo

Un conjunto F es convexo si el segmento que une dos puntos cualquiera del mismo esta totalmente contenido en F

F no‐convexo

F

Definiciones

• Conjunto convexoF es convexo si y solo si:

Fx)1(xx]1,0[,Fx,x

21

21

∈γ−+γ=∈γ∀∈∀

F

Región convexa y cerrada

La intersección de dos conjuntos convexos es convexa

Definiciones

• Función convexa

La función J(x) es convexa en un conjunto convexo F si no toma valores superiores a los de una interpolación lineal

J(x)

xx1 x2

)x(J)1()x(J)x)1(x(J]1,0[,Fx,x

2121

21

γ−+γ≤γ−+γ∈γ∀∈∀

Si  se cumple con <  es estrictamente convexa

Definiciones

• Convexidad de funciones (de una variable)

20

2

202

02

00

0

202

02

00

0

dx)x(JdH

...)xx(dx

)x(Jd21))xx(

dx)x(dJ)x(J()x(J

...)xx(dx

)x(Jd21)xx(

dx)x(dJ)x(J)x(J

=

+−=−+−

+−+−+=

Si H es continua y positiva semidefinida la función J(x) es convexa en un entorno de x0

J(x)

x0x

J(x0)+J’(x0)(x‐x0)

Definiciones

• Convexidad. 

xx1 x2

J(x) J(x)

xx1 x2

Si J(x) es convexa,   ‐J(x) es concava

Una función lineal es convexa y concava

J(x)

x

Definiciones• Teorema

Una función continua J(x) tiene un mínimo global en cualquier conjunto F cerrado y acotado

J(x)

x2

x1

F

Definiciones

• Si una función es unimodal en su conjunto factible, entonces un mínimo local es automáticamente un mínimo global

• Toda función convexa es unimodal

OPTIMIZACIÓN ESCALAR

Optimización sin restriccionesLos métodos sin restricciones son importantes porque:

Hay problemas que se pueden formular sin restricciones  

Permiten introducir muchos conceptos y explorar ideas que se usarán en problemas NLP

Muchos problemas de optimización utilizan en alguna fase algoritmos sin restricciones

Algunos problemas NLP pueden reformularse como problemas sin restricciones

nx

Rx

)x(Jmin

∈

Criterios de optimalidad.

• Ante un problema de optimización debemos resolver dos problemas:

– ¿Cómo se determina que un punto x* es óptimo?– Si x* no es el óptimo, ¿cómo se puede encontrar la solución óptima?

( )bxaas

xf≤≤..

max Forma general de un Problema de optimizaciónescalar

Condiciones de necesidad y suficiencia• Condición necesaria para que dado un punto este sea 

óptimo:

0dxdf

=

Es un punto estacionario 

( )002

2≤≥

dxfd

• Condición suficiente: Supongamos que en el punto x* la primera derivada es 0, y la primera derivada de orden superior que no sea 0 la denotamos por n:– Si n es impar, entonces x* es un punto de inflexión– Si n es par, entonces x* es un óptimo local, además:

• Si la derivada es positiva, entonces x* es un mínimo local• Si la derivada es negativa, entonces x* es un máximo local

Métodos de soluciónMétodos de Solución

Métodos analíticos Métodos numéricos

Método minimax, Fibonacci, Sección 

dorada

Método de Powell

Métodos de eliminación

Métodos que no requieren derivadas

Métodos que requieren derivadas

Método de Newton‐Raphson

Métodos analíticos

• Método exhaustivo

– Evaluar df/dx = 0 y calcular los puntos estacionarios

– Seleccionar todos los puntos estacionarios que pertenezcan al intervalo [a,b], junto con a y b.

– Encontrar el valor máximo de f(x)

Métodos numéricos (I)

• Métodos de eliminación (reducción de intervalos).– Suponemos que  J(x) es unimodal en el conjunto factible [a,b]

– Generar una sucesión de intervalos [x1 , x2], [x3, x4],.... dentro de cada uno de los cuales esta el óptimo y de longitud cada vez menor hasta llegar a la precisión requerida:

– 2 pasos:• Encontrar el intervalo inicial donde                                                        esta el óptimo

• Reducir la longitud del intervalo inicial hasta la precisión requerida

J(x)

x3x1 x2x4

Métodos de eliminación (I)

• Si J(x) es unimodal en [a,b] , para dos puntos x1 < x2 del conjunto factible se cumple la propiedad de eliminación:

– Si J(x1) > J(x2) => x* ∈ (x1, b) => x* > x1– Si J(x1) < J(x2) => x* ∈ (a, x2) => x* < x2– Si J(x1) = J(x2) => x* ∈ (x1, x2) => x1 < x* < x2

J(x)

x1x* x2J(x)

x1 x2x*

J(x)

x1 x2x*

Métodos de eliminación (II)

• 1.‐ Encontrar el intervalo inicial– Seleccionar x0 y Δ y aplicar la propiedad  de                                   

eliminación para x0+ Δ y x0 ‐ Δ.

‐ Conocido un semi‐intervalo inicial p.e. [x0, ∞) donde esta x*, para localizar un intervalo inicial se puede generar una secuencia de valores:

xk+1

J(x)

x0 x1 .... xk

δ+=

δ+=

δ+=δ+=

−1k0k

203

02

01

2xx....

2xx

2xxxx Hasta que:

J(xk‐1) > J(xk) ≤ J(xk+1)

El intervalo inicial es [xk‐1 , xk+1]

Compromiso precisión / nº de iteraciones

δ Es positivo o negativo según el semiintervalo

Métodos de eliminación (III)

• 2.‐ Reducir el intervalo inicial hasta la precisión deseada:Si en el paso k el intervalo en el que se encuentra el óptimo es

[αk , βk],  se puede reducir su longitud Lk = βk ‐ αk evaluando la función J(x) en dos puntos γ1 < γ2 internos al intervalo aplicando la propiedad de eliminación:

J(x)

αk βkγ1 γ2

],[],[)(J)(J],[],[)(J)(J],[],[)(J)(J

211k1k21

2k1k1k21

k11k1k21

γγ=βα⇒γ=γγα=βα⇒γ<γβγ=βα⇒γ>γ

++

++

++¿Como elegir los dos puntos internos?

Métodos de eliminación (IV)• Método ε‐minimax:

– Criterio: minimizar la longitud del mayor de los intervalos posibles:  Min max { γ2 ‐ αk, βk ‐ γ1, γ2 ‐ γ1}

– Si γ2 = γ1 + ε =>  Min max{γ1 + ε ‐ αk, βk ‐ γ1}

– γ1 + ε ‐ αk = βk ‐ γ1 

J(x)

αk βkγ1 γ2

ε

γ1

γ1 + ε ‐ αk

αk ‐ ε

βk ‐ γ1

βk

22

22kk

2

kk1

ε+

α+β=γ

ε−

α+β=γ Simétricos 

respecto al centro del intervalo

Métodos de eliminación (V)

• Método ε‐minimax:J(x)

αk βkγ1 γ2

ε

2L

22

22L

kkk

kkk

k21k

ε+=

ε+

α−β=

=α−ε

+α+β

=α−γ=+

‐ La  reducción del intervalo en un paso es:

ε debe escogerse tan pequeño como se pueda para reducir la longitud del intervalo. La reducción en N pasos es:

N0

N

N0

N 2L

2)12(LL ≈ε−+

=

γ2 ‐ αk = βk ‐ γ1

Métodos de eliminación (VI)• Método de Fibonacci:J(x)

αk βkγ1 γ2

ε

αk βkγ1 γ2

ε

αk+1γ βk+1

‐ En el método ε‐minimax se precisan dos evaluaciones de J(x) en cada iteración. El método de Fibonacci aprovecha una de las evaluaciones anteriores

‐ Se selecciona ε de forma que en cada iteración γ1 coincida con el γ2de la iteración anterior o al revés.

‐ Las longitudes de los intervalos son: lk+1 = (lk + ε)/2

Métodos de eliminación (VII)• Método de Fibonacci:

– Para conseguir eso hay que seguir el siguiente procedimiento:• li‐1 = 2 li ‐ ε• li‐2 = li‐1 + li = 3 li ‐ ε• li‐3= li‐2 + li‐1 = 5 li ‐ 2 ε• .....• li‐k = li‐k‐2 + li‐k‐1 = Fk+1 li ‐ Fk‐1 ε

– Donde Fk corresponden a los coeficientes de la secuencia de Fibonacci: 

• F0 = F1 = 1• Fk = Fk‐1 + F k‐2• En N pasos se llega a un intervalo:  lN = (l0 + FN‐1 ε)/ FN+1

Métodos de eliminación (VIII)

• Método de Fibonacci:– Algoritmo:

• Seleccionar la precisión deseada Δ y ε• Generar la sucesión de Fibonacci Fi hasta que li < Δ• Aplicar N veces el método ε‐minimax teniendo en cuenta el aprovechamiento de uno de los γi del paso anterior

Métodos de eliminación (IX)• Método de la sección dorada:

– Se prescinde del cálculo de la sucesión de Fibonacci aproximando la longitud de cada intervalo por el límite para ε → 0 e i →∞

• ε → 0  l0 = Fi+1 li ; l1 = Fi li =>  l1 = (Fi / Fi+1) l0• i→∞ lim (Fi / Fi+1) = 1 / γ = 0.618• En N pasos: lN = (0.618)N l0  

Algoritmo:

• Seleccionar la precisión deseada: Δ

• Calcular i tal que li < Δ

• Aplicar i veces el método ε‐minimax teniendo en cuenta el aprovechamiento  de uno de los γ i

Comparación

• Precisión de los métodos con 4 iteraciones y l0= 0.82

– Método ε‐mimimax : lN = l0 / 2N 

• l4= 0.82/ 16 = 0.098 , N ev = 8

– Método de Fibonacci: ln = (l0 + FN‐1 ε) / FN+1• L4 = (0.82 + 2*0.02 )/ 8 = 0.11,  Ne.v. = 5

– Método de la sección dorada: lN = (0.618)N l0• L4 = (0.818)4 * 0.82 =0.12,   N.ev. =5

Métodos numéricos (II) 

• Métodos de aproximación por un polinomio:– J(x) debe ser unimodal y continua– Cerca del mínimo J(x) se puede aproximar por una función de 2º orden:  Q(x) = a + bx + cx2

– Dados 3 puntos cerca del mínimo se aproxima J(x) por un polinomio de 2º grado que pase por esos puntos:

q(x) = a0 + a1 (x‐x1) + a2 (x‐x1)(x‐x2)

– El mínimo del polinomio puede obtenerse fácilmente

dq(x) / dt = a1+ a2 (x‐x2) + a2 (x‐x1) = 0

x* = (x1 + x2 )/2 ‐ a1/ ( 2a2)

Métodos de aproximación por un polinomio• Método de Powell:1.‐ Elegir la estimación inicial x1 y el tamaño del paso 2.‐ Calcular  x2 = x1 + Δ.  Evaluar f(x1) y f(x2)3.‐ Si   f(x1)  > f(x2) entonces       x3 = x1 + 2Δ

Si   f(x1)  ≤ f(x2) entonces       x3 = x1 ‐ Δ4.‐ Evaluar f(x3) y determinar:  Fmin = min { f(x1), f(x2), f(x3)}

xmin = punto xi correspondiente a Fmin

5.‐ Utilizar los puntos x1, x2, x3 para calcular  x*  utilizando la fórmula  de estimación cuadrática

6.‐ Chequear la terminación: a) Es  Fmin ‐ f(x*)   suficientemente pequeño ?b) Es   xmin ‐ x* suficientemente pequeño ?

Si se satisface terminar. De lo contrario ir a 7.7. ‐Guardar el mejor punto (xmin ó   x* ), y los dos puntos que lo rodean, se reorganizan o renombran. Ir al paso 4.

Métodos numéricos (III)

• Métodos que requieren derivadas:– La función debe ser unimodal, continua y diferenciable– Si f(x) es unimodal, continua y diferenciable en [a,b], para un punto cualquiera x’ del conjunto factible se cumple:

• Si df / dx < 0  → x* ∈ (x’, b)  → x* > x’• Si df / dx > 0 → x* ∈ (a, x’)   → x* < x’• Si df / dx = 0 → x* ∈ (x1, x2)  → x* = x’

– Métodos de eliminación:• Determinar el intervalo de incertidumbre donde está el mínimo

• Ir reduciendo el intervalo de incertidumbre  hasta estimar x* con una precisión deseada, por ejemplo : ⎢∇f(x*) ⎢≈ 0

Métodos que requieren derivadas

• Método de la secante:– Estimar el siguiente punto x’ tal que ∇J(x’) ≈ 0

– Se aproxima la derivada por la secante ( la recta que pasa por los dos puntos extremos del intervalo):

x’ = b ‐ [J´(b) (b ‐ a) / (J´(b) ‐ J´(a))]

– Se aplica la propiedad de la derivada, aplicando el procedimiento hasta obtener x’ tal que ⎢∇J(x’) ⎢< ε

J`(b)

J`(a)

b

a

J`(x)

x

x’

Secante

Métodos que requieren derivadas• Método de Newton‐Raphson:

– Este método requiere que la función sea doblemente diferenciable

– Comienza con un punto x1 que es una estimación inicial  (o una aproximación al punto estacionario).

– Se construye una aproximación lineal de la función J’(x) en el punto x1 y el punto donde la aproximación se haga cero se toma como la siguiente aproximación

( ) ( ) ( )( ) 0;~ '''' =−+= kkkk xxxJxJxxJ

( )( )k

kkk xJ

xJxx ''

'

1 −=+

Método de Newton‐RaphsonJ’(x)

xk+1xk

x

Objetivo

J’(x)

xk+1xk

x

xk+2

Diremos que la solución converge a un valor x* cuando la secuencia de valores xk generados por el algoritmo verifican

1c0

xxcxx *k

*1k

<<

−≤−+ A partir de un k. De modo que los puntos xk están cada vez mas próximos a x*

Inconvenientes: Si x0 esta muy alejado de x* puede no converger, o converger a  otro valor