ÑÀÍÊÒÏÅÒÅÐÁÓÐÃÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ
ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ
Êàôåäðà Ìàòåìàòè÷åñêîé òåîðèè ìîäåëèðîâàíèÿ
ñèñòåì óïðàâëåíèÿ
Ôîìèíûõ Àëåêñàíäð Âëàäèìèðîâè÷
Òî÷íûå øòðàôû â çàäà÷å îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ
â ôîðìå Ëàãðàíæà
Âûïóñêíàÿ êâàëèôèêàöèîííàÿ ðàáîòà àñïèðàíòà
ïî ñïåöèàëüíîñòè 01.01.09 Äèñêðåòíàÿ ìàòåìàòèêà
è ìàòåìàòè÷åñêàÿ êèáåðíåòèêà
Íàó÷íûé ðóêîâîäèòåëü
êàíäèäàò ôèç.ìàò. íàóê, äîöåíò
Â. Â. Êàðåëèí
ÑàíêòÏåòåðáóðã 2016
Îãëàâëåíèå
Ââåäåíèå
4
1 Ïðåäâàðèòåëüíûå ñâåäåíèÿ
10
2 Ïîëèíîìû îò èíòåãðàëüíûõ ôóíêöèîíàëîâ
15
2.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
2.2
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
2.3
Ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
2.4
Ñëó÷àé îãðàíè÷åíèÿ íà ïðàâîì êîíöå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.5
Äèôôåðåíöèàëüíûå ñâîéñòâà ôóíêöèîíàëà ϕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
2.6
Ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
2.7
Íåêîòîðûå ïðèëîæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3 Ïðîãðàììíîå óïðàâëåíèå
31
3.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
3.2
Ñâåäåíèå ê âàðèàöèîííîé çàäà÷å
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3.3
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
3.4
Ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
3.5
Ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
3.6
×èñëåííûå ïðèìåðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
4 Îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå
43
4.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
4.2
Ñâåäåíèå ê âàðèàöèîííîé çàäà÷å
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
4.3
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
4.4
Ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
4.5
Ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
4.6
×èñëåííûå ïðèìåðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
2
5 Äèôôåðåíöèàëüíûå âêëþ÷åíèÿ
66
5.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
5.2
Ýêâèâàëåíòíàÿ ïîñòàíîâêà çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
5.3
Äèôôåðåíöèàëüíûå ñâîéñòâà ôóíêöèîíàëîâ ϕ è I . . . . . . . . . . . . . . . .
68
5.4
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
5.5
×èñëåííûå ïðèìåðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
6 Çàäà÷à Êîøè
75
6.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
6.2
Ñâåäåíèå ê âàðèàöèîííîé çàäà÷å
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
6.3
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
6.4
Ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
6.5
Ìåòîä ñîïðÿæ¼ííûõ íàïðàâëåíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
78
6.6
×èñëåííûå ïðèìåðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
6.7
Ñëó÷àé íåðàçðåø¼ííîñòè îòíîñèòåëüíî ïðîèçâîäíûõ . . . . . . . . . . . . . . .
80
Çàêëþ÷åíèå
82
Ñïèñîê îáîçíà÷åíèé
84
Ëèòåðàòóðà
86
3
Ââåäåíèå
Äèôôåðåíöèàëüíîå èñ÷èñëåíèå, îñíîâû êîòîðîãî áûëè çàëîæåíû â òðóäàõ Íüþòîíà
[113] è Ëåéáíèöà [105], áåçóñëîâíî, ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ìîùíåéøèé àïïàðàò, áåç êîòîðîãî
ñëîæíî ïðåäñòàâèòü ñåáå óñïåøíîå ðàçâèòèå ìíîãèõ ðàçäåëîâ ìàòåìàòèêè.
Îäíàêî ñ òå÷åíèåì âðåìåíè îêàçàëîñü, ÷òî ìíîãèå çàäà÷è, âîçíèêàþùèå â ïðèëîæåíèÿõ è â ñàìîé ìàòåìàòèêå, òðåáóþò èññëåäîâàíèÿ íåäèôôåðåíöèðóåìûõ ôóíêöèé è ñîçäàíèÿ
ïîëíîöåííîãî èíñòðóìåíòà ðàáîòû ñ íèìè. Òàêàÿ ïîòðåáíîñòü ïðèâåëà ê ïîÿâëåíèþ ñðàâíèòåëüíî íîâûõ ðàçäåëîâ ìàòåìàòèêè: íåãëàäêîãî àíàëèçà è íåäèôôåðåíöèðóåìîé îïòèìèçàöèè. Áîëüøîé âêëàä â èõ ðàçâèòèå âíåñëè òàêèå ó÷¼íûå, êàê Â. Ô. Äåìüÿíîâ [20, 24, 82, 83],
À. Ì. Ðóáèíîâ [28, 29, 85], Ë. Í. Ïîëÿêîâà [27, 56, 57, 86, 117, 118], Â. Í. Ìàëîç¼ìîâ [26],
Á. Í. Ïøåíè÷íûé [58, 59, 60], Ñ. Ñ. Êóòàòåëàäçå [48, 49], À. Ä. Èîôôå [97, 35], Í. Ç. Øîð
[74, 75], Äæ. Äàíñêèí [16], Ô. Êëàðê [41, 81], Ð. Ðîêàôåëëàð [61, 98], Æ.-Ï. Îáåí [52].
Ñòðåìèòåëüíîå ðàçâèòèå ýòèõ íàóê è óñïåøíîå ðåøåíèå ìíîãèõ âàæíûõ òåîðåòè÷åñêèõ
è ïðèêëàäíûõ çàäà÷ ïîäòâåðäèëè ýôôåêòèâíîñòü ýòèõ ðàçäåëîâ è îêîí÷àòåëüíî ðàçâåÿëè
íåêîòîðûå ïðåäïîëîæåíèÿ î òîì, ÷òî íåãëàäêèå çàäà÷è ÿâëÿþòñÿ ïàòîëîãèåé èëè ýêçîòèêîé.
Íàïðîòèâ, äàííûå ðàçäåëû ïðî÷íî âîøëè â ñîâðåìåííóþ ñòðóêòóðó ìàòåìàòè÷åñêîé íàóêè
è ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ñàìîñòîÿòåëüíûå, ìîùíûå è ïîñòîÿííî ðàçâèâàþùèåñÿ äèñöèïëèíû,
êîòîðûå, ê ñëîâó ñêàçàòü, îêàçûâàþòñÿ äàæå áîëåå øèðîêèìè, ÷åì êëàññè÷åñêîå äèôôåðåíöèàëüíîå èñ÷èñëåíèå, ïîñêîëüêó îáîáùàþò åãî ïîíÿòèÿ è ïîçâîëÿþò ïîëó÷àòü ìíîãèå åãî
ðåçóëüòàòû êàê ñëåäñòâèÿ ñâîåé, áîëåå îáùåé, òåîðèè.
Êîíå÷íî, ìíîãèå íåãëàäêèå çàäà÷è ìîæíî ÷èñòî òåõíè÷åñêè èëè èñõîäÿ èç êàêèõ-òî
îáùèõ ñîîáðàæåíèé, ñäåëàòü ãëàäêèìè è òîãäà óæå ïðèìåíÿòü ê íèì âåñü áîãàòûé àðñåíàë ìåòîäîâ äèôôåðåíöèàëüíîãî èñ÷èñëåíèÿ. Ïðîöåññ òàêîãî ñâåäåíèÿ ïîëó÷èë íàçâàíèå
¾ñãëàæèâàíèå¿. Îäíàêî ýòî íå âñåãäà îêàçûâàåòñÿ ýôôåêòèâíî è ïðîñòî ðåàëèçóåìî. Ïðîñòîé ïðèìåð ôóíêöèè, ñãëàæèâàíèå êîòîðîé íå ïîçâîëÿåò èññëåäîâàòü òå å¼ ñâîéñòâà, êîòîðûå ñâÿçàíû ñ ïîíÿòèåì ãðàäèåíòà, ïðèâåä¼í â [21]. Åù¼ îäíèì ïðèìåðîì íåâîçìîæíîñòè
ñãëàæèâàíèÿ ìîæåò ñëóæèòü òåîðèÿ òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé, êîòîðàÿ ýôôåêòèâíî ïðè-
4
ìåíÿåòñÿ ïðè ðåøåíèè çàäà÷ óñëîâíîé îïòèìèçàöèè. Ñàìà æå òî÷íàÿ øòðàôíàÿ ôóíêöèÿ
ÿâëÿåòñÿ ñóùåñòâåííî íåãëàäêîé.
Òåîðèÿ òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé ïîëó÷èëà øèðîêîå ðàñïðîñòðàíåíèå ïðè ðåøåíèè
çàäà÷ óñëîâíîé îïòèìèçàöèè [33, 123]. Îíà ïîçâîëÿåò ñâîäèòü èñõîäíóþ çàäà÷ó ïðè íàëè÷èè
îãðàíè÷åíèé ê çàäà÷å áåçóñëîâíîé îïòèìèçàöèè. Êàê ïîêàçàëè ìíîãî÷èñëåííûå èññëåäîâàíèÿ [95, 115, 116, 121], òàêîå ñâåäåíèå ÷àñòî äîâîëüíî î÷åâèäíî äàæå äëÿ ñëîæíûõ çàäà÷
êàê êîíå÷íîìåðíîé, òàê è áåñêîíå÷íîìåðíîé îïòèìèçàöèè. Äëÿ äîñòàòî÷íî øèðîêîãî êëàññà çàäà÷ ïðè íåêîòîðûõ åñòåñòâåííûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ óäà¼òñÿ ïîêàçàòü, ÷òî ïîñòðîåííàÿ
ôóíêöèÿ òî÷íàÿ øòðàôíàÿ. È õîòÿ ïî ïîñòðîåíèþ îíà îêàçûâàåòñÿ íåãëàäêîé, äëÿ å¼
îïòèìèçàöèè ìîæíî ïðèìåíÿòü óæå ìíîãèå õîðîøî ðàçðàáîòàííûå ìåòîäû íåäèôôåðåíöèðóåìîé îïòèìèçàöèè. Îòìåòèì, ÷òî íàðÿäó ñ ïîëó÷åíèåì äîñòàòî÷íûõ óñëîâèé òî÷íîñòè
øòðàôíîé ôóíêöèè [23, 79, 88, 92] ïðîäîëæàþòñÿ ðàçðàáîòêè ðàçëè÷íûõ êîíñòðóêöèé òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé ñ ïîëåçíûìè ñâîéñòâàìè [96, 114, 122]. Èäåÿ èñïîëüçîâàíèÿ òî÷íûõ
øòðàôíûõ ôóíêöèé áûëà ïðåäëîæåíà È. È. Åð¼ìèíûì â [33].
Êàê óæå îòìå÷àëîñü, íåãëàäêèé àíàëèç ñ ìîìåíòà åãî çàðîæäåíèÿ çíà÷èòåëüíî ïîïîëíèëñÿ ðàçëè÷íûìè ìåòîäàìè ðåøåíèÿ çàäà÷ îïòèìèçàöèè. Ìíîãèå ìåòîäû îïèðàþòñÿ íà
íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà, êîòîðûå, â ñâîþ î÷åðåäü, ìîæíî ôîðìóëèðîâàòü â òåðìèíàõ òàêèõ ôóíäàìåíòàëüíûõ ïîíÿòèé íåãëàäêîé îïòèìèçàöèè, êàê ïðîèçâîäíàÿ ïî íàïðàâëåíèþ è ñóáäèôôåðåíöèàë [24]. Ïîñëåäíåå ïîíÿòèå äàëî íàçâàíèå ìåòîäó ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà. Îáùàÿ ñõåìà ìåòîäà ñîñòîèò â ïîèñêå íàïðàâëåíèÿ ñïóñêà â äàííîé òî÷êå
è îñóùåñòâëåíèþ äâèæåíèÿ ñ íåêîòîðûì øàãîì ïî ýòîìó íàïðàâëåíèþ.  ðåçóëüòàòå ïîëó÷àåì ïîñëåäîâàòåëüíîñòü, êîòîðàÿ â íåêîòîðûõ ñëó÷àÿõ ñõîäèòñÿ ê òî÷êå ýêñòðåìóìà. Ê
ñîæàëåíèþ, ñóáäèôôåðåíöèàëüíîå îòîáðàæåíèå ÿâëÿåòñÿ ðàçðûâíûì â ìåòðèêå Õàóñäîðôà
[24], ÷òî íå ïîçâîëÿåò â îáùåì ñëó÷àå ãàðàíòèðîâàòü ñõîäèìîñòü ìåòîäà. Ïîýòîìó íàðÿäó ñ
äàííûì ìåòîäîì ðàçðàáàòûâàëèñü åãî ìîäèôèêàöèè [23, 65], à òàêæå ìåòîäû, îñíîâàííûå
íà äðóãèõ ïîíÿòèÿõ íåãëàäêîãî àíàëèçà.  ÷àñòíîñòè, âåñüìà ýôôåêòèâíûì îêàçàëñÿ ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà, îñíîâàííûé íà ââåä¼ííîì Â. Ô. Äåìüÿíîâûì ïîíÿòèè
ãèïîäèôôåðåíöèàëà, êîòîðûé ÿâëÿåòñÿ îáîáùåíèåì ñóáäèôôåðåíöèàëà. Ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîå îòîáðàæåíèå, â îòëè÷èå îò ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî, ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíûì â ìåòðèêå
Õàóñäîðôà äëÿ î÷åíü øèðîêîãî êëàññà ôóíêöèé [28], ÷òî îáåñïå÷èâàåò ñõîäèìîñòü ìåòîäà
âî ìíîãèõ çàäà÷àõ. Îòìåòèì, ÷òî ïðåèìóùåñòâî ãèïîäèôôåðåíöèàëà çàêëþ÷àåòñÿ åù¼ è
â íàëè÷èè áîãàòîãî è óäîáíîãî èñ÷èñëåíèÿ. Òàê, íàïðèìåð, ýïñèëîí-ñóáäèôôåðåíöèàëüíîå
îòîáðàæåíèå òàêæå ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíûì ïî Õàóñäîðôó äëÿ øèðîêîãî êëàññà ôóíêöèé
[51], îäíàêî ïðèìåíåíèå ýïñèëîí-ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà çíà÷èòåëüíî çàòðóäíåíî, ïî5
ñêîëüêó èñ÷èñëåíèÿ ýïñèëîí-ñóáäèôôåðåíöèàëîâ ãðîìîçäêî è î÷åíü ñëîæíî äàæå â ñàìûõ
ïðîñòûõ çàäà÷àõ [24].
Ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà íà÷àë ïðèìåíÿòüñÿ Â. Ô. Äåìüÿíîâûì è Ã. Ø.
Òàìàñÿíîì è ê áåñêîíå÷íîìåðíûì, à èìåííî ê âàðèàöèîííûì çàäà÷àì [31, 62, 64, 87], è ïîêàçàë òàì ñâîþ ýôôåêòèâíîñòü. Îí ïîêàçàë íå òîëüêî ïðàêòè÷åñêóþ ïîëüçó, íî è ñâîþ áîëüøóþ
òåîðåòè÷åñêóþ ðîëü, ïîñêîëüêó ïîçâîëèë âûðàáîòàòü åäèíîîáðàçíûé, îïòèìèçàöèîííûé ïîäõîä ê øèðîêîìó êëàññó çàäà÷ è ïîëó÷èòü ìíîãèå ôóíäàìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ. Çàäà÷è îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ îòíîñÿòñÿ ê êëàññó íàèáîëåå ñëîæíûõ
âàðèàöèîííûõ çàäà÷. Òåîðèÿ òî÷íûõ øòðàôîâ ïðèìåíÿëàñü ê çàäà÷àì òåîðèè óïðàâëåíèÿ
Â. Ô. Äåìüÿíîâûì è Â. Â. Êàðåëèíûì [84].  ÷àñòíîñòè, â ðàáîòå [38] ñ ïîìîùüþ òåîðèè òî÷íûõ øòðàôîâ áûë ïîëó÷åí ïðèíöèï ìàêñèìóìà Ë.Ñ. Ïîíòðÿãèíà äëÿ çàäà÷è îïòèìàëüíîãî
óïðàâëåíèÿ â äîñòàòî÷íî îáùåé ïîñòàíîâêå.
Òåîðèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ âîçíèêëà è ôîðìèðîâàëàñü ïîä ñóùåñòâåííûì âëèÿíèåì èññëåäîâàíèé êîñìè÷åñêèõ ëåòàòåëüíûõ àïïàðàòîâ. Îäíà èç ïåðâûõ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ áûëà ïîñòàâëåíà Ä. Å. Îõîöèìñêèì â ñòàòüå [54]. Ñóùåñòâåííûì òîë÷êîì,
èíèöèèðîâàâøèì öåëóþ ñåðèþ êàê òåîðåòè÷åñêèõ, òàê è ïðàêòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé, ñòàëè
ïðèíöèï ìàêñèìóìà, ïîëó÷åííûé Ë. Ñ. Ïîíòðÿãèíûì, Â. Ã. Áîëòÿíñêèì, Å. Ô. Ìèùåíêî è
Ð. Â. Ãàìêðåëèäçå [55] è ìåòîä äèíàìè÷åñêîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ, ðàçðàáîòàííûé Ð. Áåëëìàíîì [7, 8]. Ê ðåøåíèþ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ïðèìåíÿþòñÿ ðàçëè÷íûå ïîäõîäû. Ñóùåñòâóåò êëàññ ìåòîäîâ, îñíîâàííûõ íà ñâåäåíèè èñõîäíîé çàäà÷è ê êðàåâîé çàäà÷å [36, 50, 99,
103, 106, 108, 112, 119], êîòîðîå îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðè ïîìîùè ïðèíöèïà ìàêñèìóìà. Åù¼ îäíó
ãðóïïó ìåòîäîâ, îïèðàþùèõñÿ íà ïðèíöèï ìàêñèìóìà, ñîñòàâëÿþò ðàçëè÷íûå ìåòîäû ïîñëåäîâàòåëüíûõ ïðèáëèæåíèé [5, 6, 19, 22, 30, 40, 45, 46, 47, 50, 102].  îñíîâå äðóãîé îáøèðíîé
ãðóïïû ìåòîäîâ ëåæàò èòåðàöèîííûå ïðîöåññû â ïðîñòðàíñòâå óïðàâëåíèé, êîòîðûå áàçèðóþòñÿ íà âàðèàöèÿõ ìèíèìèçèðóåìîãî ôóíêöèîíàëà [4, 100, 101, 50, 53, 73, 76, 80, 93, 94, 120].
Íàêîíåö, öåëàÿ ñåðèÿ ìåòîäîâ áàçèðóåòñÿ íà ïðèíöèïå äèíàìè÷åñêîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ
è ñîñòîèò â îñíîâíîì â ïåðåáîðå â ïðîñòðàíñòâå ôàçîâûõ êîîðäèíàò è àíàëèçå âàðèàíòîâ.
Ìíîãèå èç ïåðå÷èñëåííûõ ñõåì òàêæå ñóùåñòâåííî èñïîëüçóþò ìåòîäû ìàòåìàòè÷åñêîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ (íàïðèìåð, ãðàäèåíòíûå ìåòîäû, ìåòîä Íüþòîíà, ìåòîäû Ðèòöà è Ãàë¼ðêèíà
[9]) è ýôôåêòèâíîñòü ðåøåíèÿ çàäà÷ óïðàâëåíèÿ â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè îïðåäåëÿåòñÿ óìåíèåì ýôôåêòèâíî ðåøàòü îïòèìèçàöèîííûå çàäà÷è. Êîíå÷íî, ïåðå÷èñëåííûìè ìåòîäàìè íå
èñ÷åðïûâàåòñÿ íåîáîçðèìîå êîëè÷åñòâî ñõåì è ïîäõîäîâ, íàêîïèâøèõñÿ ñ ìîìåíòà âîçíèêíîâåíèÿ òåîðèè óïðàâëåíèÿ. Îäíàêî, êàê ïîêàçûâàþò ìíîãî÷èñëåííûå èññëåäîâàíèÿ, ëþáîé
èç ïåðå÷èñëåííûõ ïîäõîäîâ ñëîæíî íàçâàòü óíèâåðñàëüíûì, îõâàòûâàþùèì çíà÷èòåëüíóþ
6
÷àñòü ëèíåéíûõ è íåëèíåéíûõ çàäà÷. Ïîäòâåðæäåíèåì ýòîãî ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî ìíîãèå ìåòîäû èíäèâèäóàëüíû, ðàññ÷èòàíû íà î÷åíü óçêèé êëàññ çàäà÷, ó ìíîãèõ íå äîêàçàíà èëè äàæå
íå èññëåäîâàëàñü ñõîäèìîñòü [50], ÷òî íå ìåøàåò ñ÷èòàòü èõ ýôôåêòèâíûìè è ïðèçíàííûìè
ìåòîäàìè ðåøåíèÿ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ. Åñòåñòâåííî, ÷òî äëÿ ëèíåéíûõ çàäà÷
óäàëîñü îñóùåñòâèòü çíà÷èòåëüíîå ïðîäâèæåíèå êàê â òåîðåòè÷åñêîé ÷àñòè (òàê, íàïðèìåð,
Í. Í. Êðàñîâñêèì ðàçðàáîòàíà ïîëíàÿ òåîðèÿ ëèíåéíûõ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, îñíîâàííàÿ íà ïðîáëåìå ìîìåíòîâ [42], Â. È. Çóáîâûì íà ðåçóëüòàòàõ ëèíåéíîé àëãåáðû [34]),
òàê è â ðåøåíèè âû÷èñëèòåëüíûõ ïðîáëåì (íàïðèìåð, ñõåìà À. À. Àáðàìîâà [50] ïîçâîëÿåò
îáåñïå÷èòü óñòîé÷èâîñòü ñ÷¼òà). Çàäà÷à îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ îòíîñèòñÿ ê âàðèàöèîííîé
çàäà÷å â äîñòàòî÷íî îáùåé ïîñòàíîâêå. Ïîýòîìó íåóäèâèòåëüíî, ÷òî ìíîãèå ðåçóëüòàòû âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ ÿâëÿþòñÿ ñëåäñòâèÿìè ïðèíöèïà ìàêñèìóìà Ë. Ñ. Ïîíòðÿãèíà [55].
Çäåñü æå ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî ìíîãèå ôóíäàìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû òåîðèè äèíàìè÷åñêîãî
ïðîãðàììèðîâàíèÿ Ð. Áåëëìàíà òàêæå âûòåêàþò èç ïðèíöèïà ìàêñèìóìà [55].
Îäíîé èç àêòóàëüíûõ çàäà÷, èññëåäóåìûõ â äàííîé ðàáîòå, ÿâëÿåòñÿ ïîñòðîåíèå ìåòîäà
ðåøåíèÿ çàäà÷è îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ â ôîðìå Ëàãðàíæà ñ èíòåãðàëüíûì îãðàíè÷åíèåì
íà óïðàâëåíèå. Îòìåòèì, ÷òî ïðè ôèêñèðîâàííîé íà÷àëüíîé òî÷êå ê äàííîé çàäà÷å ìîæåò
áûòü ñâåäåíà è áîëåå îáùàÿ çàäà÷à îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ â ôîðìå Áîëüöà [50]. Ðàçëè÷íûå çàäà÷è ñ èíòåãðàëüíûì îãðàíè÷åíèåì íà óïðàâëåíèå ðàññìàòðèâàëèñü Â. Ô. Äåìüÿíîâûì è À. Ì. Ðóáèíîâûì â ðàáîòå [30] è À. Ñ. Àíòèïèíûì è Å. Â. Õîðîøèëîâîé â ñòàòüÿõ
[1, 2, 3]. Èçíà÷àëüíûé îïòèìèçàöèîííûé ïîäõîä ïîçâîëÿåò ñ÷èòàòü ïðåäëîæåííûé â ðàáîòå
ìåòîä â äîñòàòî÷íîé ñòåïåíè óíèâåðñàëüíûì. Îáùàÿ ñõåìà ýòîãî ìåòîäà ìîæåò áûòü îïèñàíà ñëåäóþùèì îáðàçîì. Ïðè ïîìîùè àïïàðàòà òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé èñõîäíàÿ çàäà÷à
ìèíèìèçàöèè èíòåãðàëüíîãî ôóíêöèîíàëà êà÷åñòâà ïðè íàëè÷èè îãðàíè÷åíèé â âèäå íåëèíåéíîé ñèñòåìû äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé, íà÷àëüíîãî è êîíå÷íîãî ïîëîæåíèÿ îáúåêòà
è ïðè èíòåãðàëüíîì îãðàíè÷åíèè íà óïðàâëåíèå ñâîäèòñÿ ê çàäà÷å áåçóñëîâíîé ìèíèìèçàöèè
íåêîòîðîãî ôóíêöèîíàëà. Äàëåå ôîðìóëèðóþòñÿ íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà äàííîãî
ôóíêöèîíàëà. Çäåñü ñòîèò óïîìÿíóòü, ÷òî èçâåñòíûé èíòåãðàëüíûé ïðèíöèï ìàêñèìóìà ïîëó÷àåòñÿ èç ýòîãî óñëîâèÿ êàê ñëåäñòâèå, ÷òî åù¼ ðàç ñâèäåòåëüñòâóåò â ïîëüçó äîñòàòî÷íîé
îáùíîñòè ïðèìåíÿåìîãî ïîäõîäà. Îòìåòèì, ÷òî â ñëó÷àå, åñëè èñõîäíàÿ ñèñòåìà îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé ëèíåéíà îòíîñèòåëüíî ôàçîâûõ êîîðäèíàò è óïðàâëåíèé,
à ìèíèìèçèðóåìûé ôóíêöèîíàë ÿâëÿåòñÿ âûïóêëûì, òî ðàññìàòðèâàåìûé ôóíêöèîíàë îêàçûâàåòñÿ âûïóêëûì, à òîãäà íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ åãî ìèíèìóìà ÿâëÿþòñÿ è äîñòàòî÷íûìè.
Êàê óæå ãîâîðèëîñü, òî÷íàÿ øòðàôíàÿ ôóíêöèÿ ñóùåñòâåííî íåãëàäêàÿ, ïîýòîìó äëÿ ïîèñêà
ñòàöèîíàðíûõ òî÷åê ýòîãî ôóíêöèîíàëà èñïîëüçóþòñÿ ìåòîäû íåäèôôåðåíöèðóåìîé îïòè7
ìèçàöèè, â ÷àñòíîñòè, ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà è ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî
ñïóñêà.
 äàííîé ðàáîòå îòäåëüíî èññëåäóåòñÿ çàäà÷à íàõîæäåíèÿ ïðîãðàììíîãî óïðàâëåíèÿ,
öåëüþ êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ ïåðåâîä îáúåêòà èç çàäàííîãî íà÷àëüíîãî ïîëîæåíèÿ â çàäàííîå êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå çà ôèêñèðîâàííîå âðåìÿ.  ñèëó áîëåå ïðîñòîé ïîñòàíîâêè çàäà÷è ïî ñðàâíåíèþ ñ çàäà÷åé Ëàãðàíæà óäà¼òñÿ óïðîñòèòü è ïðèìåíÿåìûé àëãîðèòì ðåøåíèÿ çàäà÷è. Â
íàñòîÿùåé ÂÊÐ òàêæå áûëè ðàññìîòðåíû ïîëèíîìû ïðîèçâîëüíîé êîíå÷íîé ñòåïåíè îò ðàçëè÷íûõ èíòåãðàëüíûõ ôóíêöèîíàëîâ, ñôîðìóëèðîâàíû ìåòîäû èõ ìèíèìèçàöèè äëÿ çàäà÷è
êàê ñî ñâîáîäíûì, òàê è çàêðåïë¼ííûì ïðàâûì êîíöîì, ïîêàçàíû íåêîòîðûå ïðèëîæåíèÿ
äàííûõ êîíñòðóêöèé. Çàäà÷à Êîøè êàê âàðèàöèîííàÿ ðàññìîòðåíà ñ ïîìîùüþ îïèñàííîãî
ïîäõîäà îòäåëüíî â ñèëó å¼ âàæíîñòè. Íàêîíåö, ñ ïîìîùüþ àïïàðàòà òî÷íûõ øòðàôíûõ
ôóíêöèé è îïîðíûõ ôóíêöèé ïðè íåêîòîðûõ äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ âûâåäåí èçâåñòíûé ïðèíöèï ìàêñèìóìà äëÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ âêëþ÷åíèé. Íà íåêîòîðûõ ïðèìåðàõ
ïðîäåìîíñòðèðîâàí èíîé ïîäõîä ê çàäà÷àì îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, êîãäà îñóùåñòâëÿåòñÿ
ïåðåõîä ê äèôôåðåíöèàëüíîìó âêëþ÷åíèþ, ó êîòîðîãî äàëåå íà îñíîâå ïðèíöèïà ìàêñèìóìà
èùåòñÿ îïòèìàëüíîå ðåøåíèå.
Òàêèì îáðàçîì, íàñòîÿùàÿ ðàáîòà ïðîäîëæàåò èññëåäîâàíèå ìåòîäîâ íåãëàäêîé îïòèìèçàöèè â âàðèàöèîííûõ çàäà÷àõ, ðàçâèâàåìûõ â íàó÷íîé øêîëå Â. Ô. Äåìüÿíîâà. Áîëåå
êîíêðåòíî, èäåÿ ïðèìåíåíèÿ òî÷íûõ øòðàôîâ â îïòèìàëüíîì óïðàâëåíèè [84] ðàçâèâàåòñÿ
è èñïîëüçóåòñÿ â äàííîé ðàáîòå äëÿ ïîñòðîåíèÿ êîíñòðóêòèâíûõ ìåòîäîâ ðåøåíèÿ çàäà÷
îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ è èññëåäîâàíèÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ âêëþ÷åíèé.
Öåëüþ ÂÊÐ ÿâëÿåòñÿ ðàçðàáîòêà åäèíîãî îïòèìèçàöèîííîãî ïîäõîäà ê ðåøåíèþ
çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ íà îñíîâå òåîðèè òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé è ìåòîäîâ
íåãëàäêîãî àíàëèçà, ïîñòðîåíèå ïðÿìûõ ìåòîäîâ ðåøåíèÿ äàííûõ çàäà÷, èçó÷åíèå çàäà÷è
íàõîæäåíèÿ îïòèìàëüíîãî ðåøåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíîãî âêëþ÷åíèÿ ñ ïðèìåíåíèåì òî÷íûõ
øòðàôîâ.
Òåîðåòè÷åñêàÿ çíà÷èìîñòü ðàáîòû ñîñòîèò â òîì, ÷òî â íåé ðàçâèâàåòñÿ îáùèé ïîäõîä ïðèìåíåíèÿ àïïàðàòà òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé è ìåòîäîâ íåãëàäêîé îïòèìèçàöèè ê
çàäà÷àì îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, à òàêæå çàäà÷àì, ñîäåðæàùèì äèôôåðåíöèàëüíûå âêëþ÷åíèÿ.  äàííîé ÂÊÐ ïîêàçàíî, êàê ñ ïîìîùüþ äàííîãî àïïàðàòà ìîæíî ïîëó÷èòü íåêîòîðûå
ôóíäàìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû, òàêèå êàê ëèíåàðèçîâàííûé èíòåãðàëüíûé ïðèíöèï ìàêñèìóìà Ïîíòðÿãèíà äëÿ çàäà÷ óïðàâëåíèÿ, ïðèíöèï ìàêñèìóìà äëÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ âêëþ÷åíèé, àâòîðîì êîòîðîãî ÿâëÿåòñÿ Áëàãîäàòñêèõ, à òàêæå íîâûå êîíñòðóêòèâíûå óñëîâèÿ
îïòèìàëüíîñòè äëÿ äàííûõ çàäà÷.
8
Ïðàêòè÷åñêàÿ çíà÷èìîñòü ðàáîòû îïðåäåëÿåòñÿ òåì, ÷òî â íåé ðàçðàáîòàí îáùèé
îïòèìèçàöèîííûé ïîäõîä ê ðåøåíèþ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ. Êðîìå òîãî, â ðàáîòå ñòðîÿòñÿ ïðÿìûå ìåòîäû ðåøåíèÿ äàííûõ çàäà÷, ïîëó÷åíû íåêîòîðûå êîíñòðóêòèâíûå
óñëîâèÿ îïòèìàëüíîñòè â çàäà÷å ñ äèôôåðåíöèàëüíûìè âêëþ÷åíèÿìè. Òàêæå â ðàáîòå ðåàëèçàöèÿ ïîñòðîåííûõ ìåòîäîâ äåìîíñòðèðóåòñÿ íà êîíêðåòíûõ ïðèìåðàõ, ìíîãèå èç êîòîðûõ
âîçíèêàþò â ðåàëüíûõ ìîäåëÿõ.
Íàó÷íàÿ íîâèçíà. Âñå îñíîâíûå íàó÷íûå ðåçóëüòàòû ÂÊÐ ÿâëÿþòñÿ íîâûìè. Ðàáîòà
ïðîäîëæàåò èññëåäîâàíèÿ [31, 38, 84].
Ìåòîäû èññëåäîâàíèÿ. Â íàñòîÿùåé ðàáîòå ïðèìåíÿþòñÿ ñîâðåìåííûå ìåòîäû òåîðèè ýêñòðåìàëüíûõ çàäà÷, âûïóêëîãî àíàëèçà è íåäèôôåðåíöèðóåìîé îïòèìèçàöèè.
Îñíîâíûå ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå â ÂÊÐ:
ïîëó÷åíû íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà ïîëèíîìà îò èíòåãðàëüíûõ ôóíêöèîíàëîâ;
ïîñòðîåí ïðÿìîé ìåòîä ìèíèìèçàöèè ïîëèíîìà îò èíòåãðàëüíûõ ôóíêöèîíàëîâ, îïèðàþùèéñÿ íà ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà;
íà îñíîâå òåîðèè òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé ïîëó÷åíû íåîáõîäèìûå (à â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè ñèñòåìû è âûïóêëîñòè ìèíèìèçèðóåìîãî ôóíêöèîíàëà è äîñòàòî÷íûå) óñëîâèÿ
ìèíèìóìà â çàäà÷å îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ;
ïîñòðîåí ïðÿìîé ìåòîä ðåøåíèÿ çàäà÷è îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, îïèðàþùèéñÿ íà
ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà;
ñ ïîìîùüþ òåîðèé òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé è îïîðíûõ ôóíêöèé ïðè íåêîòîðûõ äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ ïîëó÷åí ïðèíöèï ìàêñèìóìà äëÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ
âêëþ÷åíèé;
ïîñòðîåí ïðÿìîé ìåòîä ðåøåíèÿ çàäà÷è Êîøè, îïèðàþùèéñÿ íà ìåòîä íàèñêîðåéøåãî
ñïóñêà è ìåòîä ñîïðÿæ¼ííûõ íàïðàâëåíèé;
ÂÊÐ ñîñòîèò èç ââåäåíèÿ, øåñòè ãëàâ, çàêëþ÷åíèÿ, ñïèñêà îáîçíà÷åíèé è ñïèñêà ëèòåðàòóðû. Ëåììû, òåîðåìû, ñëåäñòâèÿ, çàìå÷àíèÿ, ïðèìåðû è òàáëèöû íóìåðóþòñÿ â ñîîòâåòñòâèè ñ ãëàâîé, ïàðàãðàôîì, â êîòîðûõ îíè íàõîäÿòñÿ. Ôîðìóëû íóìåðóþòñÿ â ñîîòâåòñòâèè
ñ ãëàâîé, â êîòîðîé îíè íàõîäÿòñÿ.
9
Ãëàâà 1
Ïðåäâàðèòåëüíûå ñâåäåíèÿ
Ïóñòü X âåùåñòâåííîå ëèíåéíîå ïðîñòðàíñòâî.
Ôóíêöèÿ f : X → R íàçûâàåòñÿ âåùåñòâåííûì ëèíåéíûì ôóíêöèîíàëîì, åñëè äëÿ
ëþáûõ x, y ∈ X è α, β ∈ R áóäåò f (αx + βy) = αf (x) + βf (y).
Áóäåì îáîçíà÷àòü dom f = {x ∈ X | f (x) 6= −∞, f (x) 6= +∞} ýôôåêòèâíîå ìíîæåñòâî ôóíêöèè f .
Íàïîìíèì, ÷òî ïðîèçâîäíîé ôóíêöèè f â òî÷êå x ∈ dom f ïî íàïðàâëåíèþ g ∈ X
íàçûâàåòñÿ ïðåäåë
f (x + αg) − f (x)
,
α→+0
α
f 0 (x, g) = lim
åñëè äàííûé ïðåäåë ñóùåñòâóåò. Ôóíêöèÿ f íàçûâàåòñÿ
äèôôåðåíöèðóåìîé ïî íàïðàâëåíèÿì
â òî÷êå x, åñëè f 0 (x, g) ñóùåñòâóåò äëÿ ëþáîãî g ∈ X . Âåçäå äàëåå áóäåì ïèñàòü α ↓ 0, âìåñòî
α → +0.
Ôóíêöèÿ f íàçûâàåòñÿ
äèôôåðåíöèðóåìîé ïî Ãàòî
â òî÷êå x, åñëè îíà äèôôåðåí-
öèðóåìà ïî íàïðàâëåíèÿì â äàííîé òî÷êå è îòîáðàæåíèå g → f 0 (x, g) ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíûì
íåïðåðûâíûì ôóíêöèîíàëîì, êîòîðûé íàçûâàåòñÿ ïðîèçâîäíîé Ãàòî ôóíêöèè f â òî÷êå x è
îáîçíà÷àåòñÿ ∇f (x).
Ôóíêöèÿ k · k : X → [0, +∞) íàçûâàåòñÿ
íîðìîé (â X ), åñëè äëÿ ëþáûõ ýëåìåíòîâ
x, y ∈ X è λ ∈ R îíà óäîâëåòâîðÿåò ñëåäóþùèì óñëîâèÿì:
1. kλxk = |λ|kxk,
2. kx + yk 6 kxk + kyk,
3. kxk > 0, kxk = 0 ⇔ x = 0.
Ïàðà (X, k · k), ñîñòîÿùàÿ èç ïðîñòðàíñòâà X è íîðìû â í¼ì, íàçûâàåòñÿ íîðìèðîâàííûì ïðîñòðàíñòâîì.
10
Ôóíêöèÿ ρ(·, ·) : X × X → [0, +∞) íàçûâàåòñÿ
ìåòðèêîé (â X ), åñëè äëÿ ëþáûõ ýëå-
ìåíòîâ x, y, z ∈ X îíà óäîâëåòâîðÿåò ñëåäóþùèì óñëîâèÿì:
1. ρ(x, y) = 0 ⇔ x = y ,
2. ρ(x, y) = ρ(y, x),
3. ρ(x, z) 6 ρ(x, z) + ρ(z, y).
Ïàðà (X, ρ(·, ·)), ñîñòîÿùàÿ èç ïðîñòðàíñòâà X è ìåòðèêè â í¼ì, íàçûâàåòñÿ ìåòðè÷åñêèì ïðîñòðàíñòâîì.
Ëþáîå íîðìèðîâàííîå ïðîñòðàíñòâî ÿâëÿåòñÿ ìåòðè÷åñêèì, ñ ìåòðèêîé îïðåäåëÿåìîé
ïî ôîðìóëå ρ(x, y) = kx − yk.
Ñêàëÿðíûì ïðîèçâåäåíèåì â ïðîñòðàíñòâå X íàçûâàåòñÿ ôóíêöèÿ (·, ·) : X × X → R,
óäîâëåòâîðÿþùàÿ äëÿ ëþáûõ ýëåìåíòîâ x, y, z ∈ X è äëÿ ëþáîãî ÷èñëà λ ∈ R ñëåäóþùèì
óñëîâèÿì:
1. (x, y) = (y, x),
2. (x + y, z) = (x, z) + (y, z),
3. (λx, y) = λ(x, y),
4. (x, x) > 0, (x, x) = 0 ⇔ x = 0.
Ôóíêöèÿ f : X → R (åñëè ïðîñòðàíñòâî X íîðìèðîâàíî) íàçûâàåòñÿ íåïðåðûâíîé â
òî÷êå x ∈ X , åñëè äëÿ ëþáîãî ε > 0 ñóùåñòâóåò δ > 0 òàêîå, ÷òî äëÿ ëþáîãî y ∈ X ,
ky − xk < δ , áóäåò |f (y) − f (x)| < ε.
Ïóñòü (X, ρ(·, ·)) ìåòðè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî. Ôóíêöèÿ f : X → R íàçûâàåòñÿ
øèöåâîé íà ìíîæåñòâå S
ëèï-
⊂ X , åñëè ñóùåñòâóåò êîíñòàíòà L < ∞ òàêàÿ, ÷òî äëÿ ëþáûõ
ýëåìåíòîâ x, y ∈ S
|f (x) − f (y)| 6 Lρ(x, y).
×èñëî L íàçûâàåòñÿ
êîíñòàíòîé Ëèïøèöà ôóíêöèè f íà ìíîæåñòâå S .
Ïóñòü X íîðìèðîâàííîå ïðîñòðàíñòâî. Ìíîæåñòâî âñåõ ëèíåéíûõ íåïðåðûâíûõ
ôóíêöèîíàëîâ íà X íàçûâàåòñÿ ïðîñòðàíñòâîì,
ñîïðÿæ¼ííûì ê X è îáîçíà÷àåòñÿ ÷åðåç X ∗.
Ïðîñòðàíñòâî X ∗ òàêæå ìîæíî ñäåëàòü íîðìèðîâàííûì, îïðåäåëèâ â í¼ì íîðìó ïî ôîðìóëå
kf k = sup |f (x)|,
x∈B(0,1)
ãäå B(x, r) = {y ∈ X | kx − yk 6 r}.
11
f ∈ X ∗,
Ïóñòü X , Y íîðìèðîâàííûå ïðîñòðàíñòâà. Ïóñòü S ⊂ X íåïóñòîå ìíîæåñòâî. Íàïîìíèì, ÷òî îòîáðàæåíèå F , ñîïîñòàâëÿþùåå êàæäîé òî÷êå x ∈ S íåêîòîðîå, ïîäìíîæåñòâî
ïðîñòðàíñòâà Y íàçûâàåòñÿ
ìíîãîçíà÷íûì îòîáðàæåíèåì è îáîçíà÷àåòñÿ F : S ⇒ Y .
Ïóñòü A, B ⊂ X íåïóñòûå çàìêíóòûå îãðàíè÷åíûå ïîäìíîæåñòâà. Âåëè÷èíà
ρH (A, B) = sup inf kx − yk + sup inf kx − yk
x∈A y∈B
íàçûâàåòñÿ
y∈B x∈A
ðàññòîÿíèåì Õàóñäîðôà ìåæäó ìíîæåñòâàìè A è B . Ðàññòîÿíèå Õàóñäîðôà ÿâ-
ëÿåòñÿ ìåòðèêîé íà ìíîæåñòâå âñåõ íåïóñòûõ çàìêíóòûõ îãðàíè÷åííûõ ïîäìíîæåñòâ ïðîñòðàíñòâà X .
Ìíîãîçíà÷íîå îòîáðàæåíèå F : S ⇒ Y ñ îãðàíè÷åííûìè çíà÷åíèÿìè (ò. å. äëÿ ëþáîãî
x ∈ S ìíîæåñòâî F (x) îãðàíè÷åíî) íàçûâàåòñÿ
íåïðåðûâíûì ïî Õàóñäîðôó â òî÷êå x ∈ S ,
åñëè äëÿ ëþáîãî ε > 0 ñóùåñòâóåò δ > 0 òàêîå, ÷òî äëÿ ëþáîãî y ∈ S , ky − xk < δ , áóäåò
ρH (F (y), F (x)) < ε.
Ïóñòü X ìåòðè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî, A ⊂ X íåêîòîðîå ìíîæåñòâî. Ìíîæåñòâî A
íàçûâàåòñÿ êîìïàêòíûì, åñëè èç âñÿêîé áåñêîíå÷íîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè {xk } ⊂ A ìîæíî
âûáðàòü ïîäïîñëåäîâàòåëüíîñòü, ñõîäÿùóþñÿ â X ê íåêîòîðîìó ïðåäåëó.
Íàïîìíèì, ÷òî ïîäìíîæåñòâî A ïðîñòðàíñòâà X íàçûâàåòñÿ
âûïóêëûì, åñëè äëÿ ëþ-
áûõ x, y ∈ A è α ∈ [0, 1] áóäåò αx + (1 − α)y ∈ A.
Äëÿ ïðîèçâîëüíîãî ìíîæåñòâà A ⊂ X íàèìåíüøåå (ïî âêëþ÷åíèþ) âûïóêëîå ìíîæå-
âûïóêëîé îáîëî÷êîé ìíîæåñòâà A è îáîçíà÷àåòñÿ co A.
Ôóíêöèÿ f : X → R ∪ {+∞} ∪ {−∞} íàçûâàåòñÿ âûïóêëîé, åñëè äëÿ ëþáûõ x1 , x2 ∈ X
ñòâî, ñîäåðæàùåå A, íàçûâàåòñÿ
è α ∈ [0, 1] âûïîëíÿåòñÿ íåðàâåíñòâî
f (αx1 + (1 − α)x2 ) 6 αf (x1 ) + (1 − α)f (x2 ).
Âûïóêëàÿ ôóíêöèÿ f : X → R ∪ {+∞} íàçûâàåòñÿ ñîáñòâåííîé, åñëè îíà íå ðàâíà
òîæäåñòâåííî +∞.
Ëèíåéíûé ôóíêöèîíàë p ∈ X ∗ íàçûâàåòñÿ
ñóáãðàäèåíòîì
ñîáñòâåííîé âûïóêëîé
ôóíêöèè f : X → R ∪ {+∞} â òî÷êå x ∈ dom f , åñëè äëÿ ëþáîãî y ∈ X ñïðàâåäëèâî íåðàâåíñòâî f (y) − f (x) > p(y) − p(x).
Ñóáäèôôåðåíöèàëîì ôóíêöèè f
â òî÷êå x íàçûâàåòñÿ
ìíîæåñòâî (îáîçíà÷àåìîå ∂f (x)), ñîñòîÿùåå èç âñåõ ñóáãðàäèåíòîâ ôóíêöèè f â òî÷êå x, ò.å.
∂f (x) = {p ∈ X ∗ | f (y) − f (x) > p(y) − p(x) ∀y ∈ X}.
Îòîáðàæåíèå x → ∂f (x) íàçûâàåòñÿ ñóáäèôôåðåíöèàëüíûì.
12
Ïóñòü Ω ∈ X íåêîòîðîå íåïóñòîå ìíîæåñòâî íîðìèðîâàííîãî ïðîñòðàíñòâà X . Ôóíêöèÿ f : Ω → R íàçûâàåòñÿ ãèïîäèôôåðåíöèðóåìîé íà ìíîæåñòâå Ω, åñëè äëÿ ëþáîãî x ∈ Ω
ñóùåñòâóåò âûïóêëûé êîìïàêò df (x) ∈ R × X ∗ òàêîé, ÷òî äëÿ ëþáîãî äîïóñòèìîãî ïðèðàùåíèÿ ∆x ∈ X (ò. å. co{x + ∆x} ∈ Ω) ñîîòâåòñòâóþùåå ïðèðàùåíèå ôóíêöèè ïðåäñòàâèìî â
ñëåäóþùåì âèäå
f (x + ∆x) = f (x) +
max (a + ϕ(∆x)) + o(∆x, x),
[a,ϕ]∈df (x)
o(α∆x, x)/α → 0 ïðè α → 0.
Îòîáðàæåíèå x → df (x) íàçûâàåòñÿ ãèïîäèôôåðåíöèàëüíûì.
Ôóíêöèÿ f íàçûâàåòñÿ íåïðåðûâíî ãèïîäèôôåðåíöèðóåìîé â òî÷êå x ∈ Ω, åñëè îíà
ãèïîäèôôåðåíöèðóåìà â íåêîòîðîé îêðåñòíîñòè ýòîé òî÷êè è ñóùåñòâóåò íåïðåðûâíîå (ïî
Õàóñäîðôó) ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîå îòîáðàæåíèå df â ýòîé òî÷êå.
Ðàññìîòðèì ýêñòðåìàëüíóþ çàäà÷ó âèäà
f → inf ,
x∈Ω
ãäå Ω íåêîòîðîå íåïóñòîå ïîäìíîæåñòâî ïðîñòðàíñòâà X , à âåùåñòâåííàÿ ôóíêöèÿ f îïðåäåëåíà íà X . Ïðåäïîëîæèì, ÷òî ðåøåíèå ýòîé çàäà÷è ñóùåñòâóåò.
Ïóñòü ìíîæåñòâî Ω çàäàíî â âèäå
Ω = {x ∈ X | ϕ(x) = 0},
ãäå ϕ : X → [0, +∞) íåêîòîðàÿ íåîòðèöàòåëüíàÿ ôóíêöèÿ. Íàïðèìåð, ìîæíî âçÿòü
ϕ(x) = 1, åñëè x ∈
/ Ω,
ϕ(x) = 0, åñëè x ∈ Ω.
Äëÿ ëþáîãî íåîòðèöàòåëüíîãî λ ââåä¼ì ôóíêöèþ
Fλ (x) = f (x) + λϕ(x),
êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ
íûì ïàðàìåòðîì.
øòðàôíîé ôóíêöèåé äëÿ çàäàííûõ f è ϕ, à ÷èñëî λ íàçûâàåòñÿ øòðàô-
Øòðàôíàÿ ôóíêöèÿ íàçûâàåòñÿ
òî÷íîé øòðàôíîé, åñëè ñóùåñòâóåò ÷èñëî λ∗
> 0
òàêîå, ÷òî äëÿ ëþáîãî λ > λ∗ ìíîæåñòâî òî÷åê ãëîáàëüíîãî ìèíèìóìà ôóíêöèè Fλ ñîâïàäàåò
ñ ìíîæåñòâîì òî÷åê ãëîáàëüíîãî ìèíèìóìà â çàäà÷å
f → inf .
x∈Ω
13
 ýòîì ñëó÷àå λ∗ íàçûâàåòñÿ
êîíñòàíòîé òî÷íîãî øòðàôà.
Ðàññìîòðèì ìíîæåñòâî âñåõ ôóíêöèé f , çàäàííûõ è èçìåðèìûõ íà îòðåçêå [a, b] è
òàêèõ, ÷òî èíòåãðàë Ëåáåãà
Z
b
f 2 (x)dx < +∞
a
(òàêèå ôóíêöèè íàçûâàþò
ñóììèðóåìûìè ñ êâàäðàòîì ).
Ââåä¼ì íîðìó
Z
||f || =
b
f 2 (x)dx
1/2
.
a
è ñîîòâåòñòâóþùóþ åé ìåòðèêó
Z
ρ(f, g) =
b
(f (x) − g(x))2 dx
1/2
.
a
Ïîëó÷åííîå ìåòðè÷åñêîå ïðîñòðàíñòâî îáîçíà÷àåòñÿ L2 [a, b]. Äâå ôóíêöèè f (t) è g(t) íàçûâàþòñÿ ýêâèâàëåíòíûìè íà [a, b], åñëè f (t) = g(t) ïî÷òè âñþäó íà [a, b]. Âñå ýêâèâàëåíòíûå
ìåæäó ñîáîé ôóíêöèè áóäåì ñ÷èòàòü îäíèì è òåì æå ýëåìåíòîì ïðîñòðàíñòâà L2 [a, b].
Äëÿ ïðîèçâîëüíîãî ìíîæåñòâà F ⊂ Rn îïðåäåëèì
ñîîòíîøåíèåì
c(F, ψ) = sup(f, ψ).
f ∈F
14
îïîðíóþ ôóíêöèþ âåêòîðà ψ ∈ Rn
Ãëàâà 2
Ïîëèíîìû îò èíòåãðàëüíûõ
ôóíêöèîíàëîâ
 äàííîì ðàçäåëå èçó÷àþòñÿ óñëîâèÿ ìèíèìóìà ¾ïîëèíîìèàëüíîãî¿ ôóíêöèîíàëà.
Äëÿ ¾ïîëèíîìèàëüíîãî¿ ôóíêöèîíàëà âûïèñàí ãðàäèåíò Ãàòî, íàéäåíû íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà, êîòîðûå èñïîëüçóþòñÿ ïðè îïèñàíèè ìåòîäà íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà äëÿ ðàññìàòðèâàåìîé çàäà÷è. Äîïîëíèòåëüíî èññëåäóåòñÿ çàäà÷à ìèíèìèçàöèè ¾ïîëèíîìèàëüíîãî¿
ôóíêöèîíàëà, êîãäà ïðèñóòñòâóþò îãðàíè÷åíèÿ íà ïðàâîì êîíöå. Ñ ïîìîùüþ òåîðèè òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé ýòà çàäà÷à ïðè íàëè÷èè îãðàíè÷åíèé ñâîäèòñÿ ê çàäà÷å áåçóñëîâíîé
ìèíèìèçàöèè. Ïîëó÷åííûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà ïîçâîëÿþò îïèñàòü ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà äëÿ ðåøàåìîé çàäà÷è. Ïðèâåäåíû ÷èñëåííûå ïðèìåðû ðåàëèçàöèè îïèñàííûõ
ìåòîäîâ. Çàäà÷à ìèíèìèçàöèè ïðîèçâåäåíèÿ ñòåïåíåé èíòåãðàëîâ íàõîäèò øèðîêîå ïðèìåíåíèå â àýðîäèíàìèêå. Òàêæå äàíû ïðèìåðû íåêîòîðûõ èíòåãðàëüíûõ óðàâíåíèé è çàäà÷è
òåîðèè óïðàâëåíèÿ, êîòîðûå ìîæíî ñâåñòè ê çàäà÷å ìèíèìèçàöèè ïîëèíîìà îò èíòåãðàëüíûõ
ôóíêöèîíàëîâ.
2.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è
Ðàññìîòðèì íåëèíåéíóþ ñèñòåìó äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé
y(x, ẋ, u, t) = 0
(2.1)
x(0) = x0 .
(2.2)
ñ çàäàííûì íà÷àëüíûì óñëîâèåì
Ñ÷èòàåì ñèñòåìó ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìîé [34]. Çäåñü T > 0 çàäàííûé ìîìåíò âðåìåíè, y
âåùåñòâåííàÿ n-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ, x n-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ ôàçîâûõ êîîðäèíàò,
15
êîòîðóþ áóäåì ñ÷èòàòü íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìîé íà [0, T ], óïðàâëåíèå u ïðèíàäëåæèò
íåêîòîðîìó ôèêñèðîâàííîìó ìíîæåñòâó äîïóñòèìûõ óïðàâëåíèé
U = {u ∈ Cm [0, T ] | u(t) ∈ V ∀t ∈ [0, T ]},
ãäå V ⊂ Rm êîìïàêòíîå ìíîæåñòâî. Ïðåäïîëàãàåì y(x, ẋ, u, t) íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìîé ïî x, ẋ è u è íåïðåðûâíîé ïî âñåì ÷åòûð¼ì àðãóìåíòàì.
Ïóñòü òðåáóåòñÿ ïîäîáðàòü òàêîå óïðàâëåíèå u ∈ U , ïðè êîòîðîì ðåøåíèå çàäà÷è (2.1),
(2.2) óäîâëåòâîðÿåò ñëåäóþùåìó óñëîâèþ:
ZT
(2.3)
y0 (x, ẋ, u, t)dt = L,
0
ãäå s-ìåðíàÿ âåùåñòâåííàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ y0 ìîæåò ñîäåðæàòü â ñåáå èíôîðìàöèþ î ïîëîæåíèè îáúåêòà ñèñòåìû, çíà÷åíèè åãî ñêîðîñòè è îãðàíè÷åíèÿõ íà óïðàâëåíèå, L çàäàííûé
âåêòîð èç Rs . Ñ÷èòàåì, ÷òî y0 íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìà ïî x, ẋ è u è íåïðåðûâíà ïî
âñåì ÷åòûð¼ì àðãóìåíòàì. Ñ ïîìîùüþ (2.3) ìîãóò áûòü çàïèñàíû, íàïðèìåð, èíòåãðàëüíîå
îãðàíè÷åíèå íà óïðàâëåíèå âèäà
ZT
u(t), u(t) dt = 1
0
èëè îãðàíè÷åíèå íà êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå ñèñòåìû
ZT
x0 +
ẋ(t)dt = xT .
0
Çàäà÷ó (2.1)(2.3) ñâåä¼ì ê ìèíèìèçàöèè ñëåäóþùåãî ôóíêöèîíàëà íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå:
ZT
P2 =
s
X
y(x, z, u, t), y(x, z, u, t) dt +
i=1
0
ZT
y0i (x, z, u, t)dt − Li
0
ãäå
z(t) = ẋ(t), z ∈ Cn [0, T ],
Zt
y(x, z, u, t) = y(x0 +
z(τ ), z, u, t),
0
Zt
y0 (x, z, u, t) = y0 (x0 +
z(τ ), z, u, t),
0
à y0i i-ÿ êîìïîíåíòà âåêòîð-ôóíêöèè y0 .
16
2
,
(2.4)
Ôóíêöèîíàë (2.4) ñîäåðæèò ëèíåéíîå ñëàãàåìîå è ñóììó êâàäðàòîâ îò èíòåãðàëüíûõ
ôóíêöèîíàëîâ. Òàêèì îáðàçîì, çàäà÷à (2.1)(2.3) ñâåëàñü ê ìèíèìèçàöèè ïîëèíîìà âòîðîé
ñòåïåíè îò èíòåãðàëüíûõ ôóíêöèîíàëîâ. Àíàëîãè÷íî ìîæíî ðàññìîòðåòü çàäà÷ó ìèíèìèçàöèè ïîëèíîìîâ âûñøèõ ñòåïåíåé.
 ðàáîòàõ [109, 110] îïèñûâàëàñü çàäà÷à ìèíèìèçàöèè ïðîèçâåäåíèÿ ñòåïåíåé èíòåãðàëüíûõ ôóíêöèîíàëîâ, çàâèñÿùèõ îò èñêîìîé ôóíêöèè è å¼ ïðîèçâîäíîé. Ïðè ýòîì çíà÷åíèÿ ôóíêöèè â íà÷àëüíûé è êîíå÷íûé ìîìåíòû âðåìåíè ñ÷èòàëèñü ôèêñèðîâàííûìè. Çàäà÷à
ñâîäèëàñü ê ðåøåíèþ äèôôåðåíöèàëüíîãî óðàâíåíèÿ âòîðîãî ïîðÿäêà, à ïîñëå âûâîäà åãî
îáùåãî ðåøåíèÿ ñ ó÷¼òîì êðàåâûõ óñëîâèé ê n+2 àëãåáðàè÷åñêèì óðàâíåíèÿì ñ n+2 íåèçâåñòíûìè, ãäå n êîëè÷åñòâî ñîìíîæèòåëåé â ïðîèçâåäåíèè ñòåïåíåé èíòåãðàëîâ.  ýòèõ
ðàáîòàõ è ðÿäå äðóãèõ (ñì., íàïðèìåð, [107, 111]) îõàðàêòåðèçîâàíî ïðèëîæåíèå ïîëó÷åííûõ
ðåçóëüòàòîâ ê àýðîäèíàìèêå, à èìåííî, ê îïðåäåëåíèþ îïòèìàëüíûõ â êàêîì-òî ñìûñëå ôîðì
àýðîäèíàìè÷åñêèõ îáúåêòîâ.
 äàííîì ðàçäåëå âûâîäÿòñÿ íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà (äàëåå áóäåì íàçûâàòü åãî ¾ïîëèíîìèàëüíûì¿)
Pk I1 (x), . . . , In (x)
(2.5)
x(0) = x0 .
(2.6)
ñ çàäàííûì íà÷àëüíûì óñëîâèåì
 âûðàæåíèè (2.5) Pk ïîëèíîì çàäàííîé êîíå÷íîé ñòåïåíè k ∈ N (åãî îáùèé âèä áóäåò
âûïèñàí íèæå), à Ij , j = 1, n, èíòåãðàëüíûé ôóíêöèîíàë
ZT
Ij (x) =
fj x(t), ẋ(t), t dt,
0
ðàññìàòðèâàåìûé â êëàññè÷åñêîé çàäà÷å âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ [15]. Çäåñü T > 0
íåêîòîðûé ôèêñèðîâàííûé ìîìåíò âðåìåíè, fj çàäàííàÿ âåùåñòâåííàÿ ñêàëÿðíàÿ ôóíêöèÿ, íåïðåðûâíàÿ ïî âñåì òð¼ì àðãóìåíòàì è íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìàÿ ïî x è ẋ, x
n-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ êîîðäèíàò, íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìàÿ íà ïðîìåæóòêå [0, T ].
Ïîëîæèì
z ∈ Cn [0, T ].
z(t) = ẋ(t),
Òîãäà ñ ó÷¼òîì (2.6) èìååì
Zt
x(t) = x0 +
z(τ )dτ.
0
∗
Òðåáóåòñÿ íàéòè òàêóþ âåêòîð-ôóíêöèþ x ∈ Cn1 [0, T ], óäîâëåòâîðÿþùóþ îãðàíè÷åíèþ
(2.6), êîòîðàÿ äîñòàâëÿåò ìèíèìóì ¾ïîëèíîìèàëüíîìó¿ ôóíêöèîíàëó (2.5).
17
2.2
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà
Ñíà÷àëà èçó÷èì ÷àñòíûé ñëó÷àé, êîãäà ìèíèìèçèðóåìûé ôóíêöèîíàë èìååò ñëåäóþùèé âèä:
P2 (z) =
h ZT
Zt
f x0 +
0
i2
z(τ )dτ, z(t), t dt ,
(2.7)
0
îáùèé ñëó÷àé áóäåò îïèñàí äàëåå. Íàéä¼ì ïðîèçâîäíóþ P20 (z, v) ïî íàïðàâëåíèþ v ∈ Cn [0, T ]
ôóíêöèîíàëà (2.7). Èìååì
P2 (z + αv) =
h ZT
Zt
f x0 +
0
=
h
i2
z(τ ) + αv(τ )dτ, z(t) + αv(t), t dt =
0
ZT
Zt
f x0 +
0
z(τ )dτ, z(t), t dt + α
ZT n
0
ZT
= P2 (z) + 2α
∂f
,
∂x
n ∂f
,
∂x
0
o
∂f
v(τ )dτ +
, v(t) dt
∂z
= P2 (z) + 2α
ZT
n
f x0 +
o
∂f
∂f
dτ, v(t) +
, v(t) dt
∂x
∂z
t
0
Zt
ZT
z(τ )dτ, z(t), t dt + o(α) =
0
0
0
ZT
i2
o
∂f
v(τ )dτ +
, v(t) dt + o(α) =
∂z
0
0
Zt
Zt
ZT
Zt
f x0 +
0
z(τ )dτ, z(t), t dt + o(α),
0
o(α)
→ 0 ïðè α ↓ 0. (2.8)
α
Èç (2.8) äàëåå ïîëó÷àåì
P20 (z, v) = lim
α↓0
=2
ZT n ZT
0
P2 (z + αv) − P2 (z)
=
α
o
∂f
∂f
dτ, v(t) +
, v(t) dt
∂x
∂z
t
ZT
Zt
f x0 +
0
z(τ )dτ, z(t), t dt.
(2.9)
0
Èç (2.9) ñëåäóåò, ÷òî ôóíêöèîíàë P2 äèôôåðåíöèðóåì ïî Ãàòî [43] â òî÷êå z è åãî ãðàäèåíò
âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
ZT
Zt
h ZT ∂f
∂f i
∇P2 (z) = 2
dτ +
f x0 + z(τ )dτ, z(t), t dt.
∂x
∂z
t
0
(2.10)
0
Îòñþäà çàêëþ÷àåì, ÷òî, äëÿ òîãî ÷òîáû âåêòîð-ôóíêöèÿ z ∗ ∈ Cn [0, T ] áûëà òî÷êîé ìèíèìóìà
ôóíêöèîíàëà (2.7), íåîáõîäèìî âûïîëíåíèå ñîîòíîøåíèé
ZT
Zt
h ZT ∂f
∂f i
dτ +
f x0 + z ∗ (τ )dτ, z ∗ (t), t dt = 0n
∂x
∂z
t
0
∀t ∈ [0, T ],
0
(2.11)
∂f (x∗ , z ∗ , T )
∂z
ZT
Zt
f x0 +
0
0
18
z ∗ (τ )dτ, z ∗ (t), t dt = 0,
â êîòîðûõ 0n íóëåâîé ýëåìåíò ïðîñòðàíñòâà Cn [0, T ]. Âòîðîå ðàâåíñòâî â (2.11) âûòåêàåò
èç ïåðâîãî ïðè t = T è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé óñëîâèå òðàíñâåðñàëüíîñòè íà ïðàâîì êîíöå.
Òåïåðü ïîëó÷èì âûðàæåíèÿ, àíàëîãè÷íûå (2.9) è (2.10), è íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà, ïîäîáíîå (2.11), äëÿ ¾ïîëèíîìèàëüíîãî¿ ôóíêöèîíàëà
Pk I1 (x), . . . , In (x) .
 îáùåì ñëó÷àå ¾ïîëèíîìèàëüíûé¿ ôóíêöèîíàë èìååò âèä
Pk =
`
X
ai Fi ,
i=1
ãäå
Fi =
ZT
mi1
ZT
min
f1 dt
× ... ×
fn dt
.
0
0
Çäåñü
fj = fj (x, z, t),
k = max(mi1 + . . . + min ),
i=1,`
j = 1, n,
mij ∈ N ∪ {0}.
Îáîçíà÷èì
ZT
mi1 −1 ZT
mi2
ZT
min
f1i =
f1 dt
×
f2 dt
× ... ×
fn dt
, åñëè mi1 > 1,
0
0
0
f1i = 0, åñëè mi1 = 0,
...
ZT
mi1
ZT
mij−1 ZT
mij −1
i
fj =
f1 dt
× ... ×
fj−1 dt
×
fj dt
×
0
0
0
T
T
Z
Z
mij+1
min
×
fj+1 dt
× ··· ×
fn dt
, åñëè mij > 1,
0
0
f i = 0, åñëè mi = 0,
j
j
...
ZT
mi1
ZT
min−1 ZT
min −1
i
fn =
f1 dt
× ... ×
fn−1 dt
×
fn dt
, åñëè min > 1,
0
0
0
fni = 0, åñëè min = 0,
19
ãäå
fji
=
fji
Z
x0 +
t
z(τ )dτ, z, t , i = 1, `, j = 1, n.
0
Âíà÷àëå íàéä¼ì âàðèàöèþ ôóíêöèîíàëà Fi . Ïðîâîäÿ âû÷èñëåíèÿ, àíàëîãè÷íûå (2.8),
(2.9), ïîëó÷àåì
" ZT
Fi (z + αv) =
f 1 x0 +
0
0
" ZT
×
Zt
f n x0 +
0
=
" ZT
×
#min
z(τ ) + αv(τ )dτ, z(t) + αv(t), t dt
=
0
#
ZT ZT
ZT
mi1 −1
mi1
∂f
∂f
1
1
dτ +
, v(t) dt
f1 dt
f1 dt
+ o(α) × . . . ×
+ αmi1
∂x
∂z
0
" ZT
#mi1
z(τ ) + αv(τ )dτ, z(t) + αv(t), t dt
× ...×
Zt
0
t
0
#
ZT ZT
min −1
min
ZT
∂f
∂f
n
n
fn dt
+ o(α) =
fn dt
dτ +
, v(t) dt
+ αmin
∂x
∂z
0
0
=
ZT
t
mi1
f1 dt
× ... ×
ZT
0
min
fn dt
+ αmi1 f1i
0
+ ... +
0
T
Z
0
ZT
αmin fni
0
ZT
ZT ∂f
∂f1
1
dτ +
, v(t) dt +
∂x
∂z
t
∂fn
∂fn
dτ +
, v(t) dt + o(α),
∂x
∂z
t
o(α)
→ 0 ïðè α ↓ 0, (2.12)
α
Fi0 (z, v) = mi1 f1i
ZT ZT
0
∂f1
∂f1
dτ +
, v(t) dt + . . . +
∂x
∂z
t
+ min fni
ZT ZT
0
∂fn
∂fn
dτ +
, v(t) dt + o(α),
∂x
∂z
t
o(α)
→ 0 ïðè α ↓ 0, (2.13)
α
è ãðàäèåíò Ãàòî äëÿ ôóíêöèîíàëà Fi
∇Fi =
n
X
ZT
j=1
t
!
∂fj
∂fj
mij fji .
dτ +
∂x
∂z
Äàëåå äëÿ ¾ïîëèíîìèàëüíîãî¿ ôóíêöèîíàëà Pk ñ ó÷¼òîì (2.12)(2.14) èìååì
Pk (z + αv) = Pk (z) + α
`
X
i=1
ai
n
X
mij fji
ZT
ZT
0
t
j=1
20
!
∂fj
∂fj
dτ +
, v(t) dt + o(α),
∂x
∂z
(2.14)
o(α)
→ 0 ïðè α ↓ 0,
α
!
ZT ZT
`
n
X
X
∂f
∂f
j
j
Pk0 (z, v) =
ai
mij fji
dτ +
, v(t) dt
∂x
∂z
i=1
j=1
0
t
è ãðàäèåíò Ãàòî
∇Pk =
`
X
ai
n
X
ZT
j=1
t
i=1
!
∂fj
∂fj
dτ +
mij fji .
∂x
∂z
Òàêèì îáðàçîì, äëÿ òîãî ÷òîáû âåêòîð-ôóíêöèÿ z ∗ áûëà òî÷êîé ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà Pk ,
íåîáõîäèìî [23] âûïîëíåíèå ñîîòíîøåíèé
`
X
i=1
ai
ZT
n
X
j=1
!
∂fj
∂fj
dτ +
mij fji = 0n
∂x
∂z
∀t ∈ [0, T ],
t
`
X
i=1
ai
n
X
∂fj (x∗ , z ∗ , T )
j=1
∂z
(2.15)
mij fji = 0,
ãäå âòîðîå ðàâåíñòâî ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé óñëîâèå òðàíñâåðñàëüíîñòè íà ïðàâîì êîíöå.
Çàìåòèì, ÷òî â ñëó÷àå n = ` = 1, a1 = 1, m11 = 1 ïåðâûé ñîìíîæèòåëü â (2.15) ðàâåí 1,
è ìû ïðèõîäèì ê íåîáõîäèìûì óñëîâèÿì ìèíèìóìà
ZT
∂f1
∂f1
dτ +
= 0n
∂x
∂z
∀t ∈ [0, T ],
(2.16)
t
∂f1 (x∗ , z ∗ , T )
= 0.
∂z
(2.17)
Äèôôåðåíöèðóÿ (2.16) íà èíòåðâàëå [0, T ], ïîëó÷àåì óðàâíåíèå Ýéëåðà â äèôôåðåíöèàëüíîé
ôîðìå äëÿ êëàññè÷åñêîé çàäà÷è âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ. Âûðàæåíèå (2.17) ïðåäñòàâëÿåò
ñîáîé óñëîâèå òðàíñâåðñàëüíîñòè íà ïðàâîì êîíöå.
2.3
Ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà
Îïèøåì ñëåäóþùèé ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà [37] äëÿ ïîèñêà ñòàöèîíàðíûõ òî÷åê
ôóíêöèîíàëà Pk .
Ôèêñèðóåì ïðîèçâîëüíîå z1 ∈ Cn [0, T ]. Ïóñòü óæå ïîñòðîåíî zp ∈ Cn [0, T ]. Åñëè âûïîëíåíî íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà (2.15), òî zp ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé ôóíêöèîíàëà Pk , è ïðîöåññ ïðåêðàùàåòñÿ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïîëîæèì
zp+1 = zp + γp qp ,
21
(2.18)
ãäå qp = q(t, zp ) ýòî àíòèãðàäèåíò ôóíêöèîíàëà Pk â òî÷êå zp , êîòîðûé íàõîäèòñÿ ïî ôîðìóëå
qp = −
`
X
i=1
T
n Z
X
∂fj
∂fj i i
ai
dτ +
mj fj ,
∂x
∂z
j=1
(2.19)
t
à γp åñòü ðåøåíèå çàäà÷è îäíîìåðíîé ìèíèìèçàöèè
min P (zp + γqp ) = P (zp + γp qp ).
γ>0
(2.20)
Òîãäà
Pk (zp+1 ) 6 Pk (zp ).
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {zp } áåñêîíå÷íà, òî ïðè íåêîòîðûõ äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà ñõîäèòñÿ [37] â ñëåäóþùåì ñìûñëå:
v
u T
uZ
u
||q(zp )|| = t (qp , qp )dt → 0 ïðè p → ∞.
0
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {zp } êîíå÷íà, òî ïîñëåäíÿÿ å¼ òî÷êà ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé
ôóíêöèîíàëà Pk ïî ïîñòðîåíèþ.
Äëÿ èëëþñòðàöèè ðàáîòû ìåòîäà íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà ðàññìîòðèì ïðèìåð.
Ïðèìåð 2.3.1. Ïóñòü òðåáóåòñÿ íàéòè ìèíèìóì ôóíêöèîíàëà
h Z1 n
o i2
P2 =
ẋ2 (t) + x(t) dt , x(0) = 1.
(2.21)
0
Ïîëîæèì z1 (t) = 0, òîãäà x1 (t) = 1, P2 (z1 ) = 1.  äàííîì ñëó÷àå èç (2.21) èìååì
Z1
∂f
dτ = 1 − t,
∂x
t
∂f
= 2z(t)
∂z
äëÿ âñåõ t ∈ [0, 1]. Ïî ôîðìóëå (2.19) ïîëó÷àåì âûðàæåíèå äëÿ àíòèãðàäèåíòà â òî÷êå z1
Z1
q1 (t) = −(1 − t)
1 dt = (t − 1).
0
Ïî ôîðìóëå (2.18)
z2 (t) = −γ(1 − t).
Òîãäà
Zt
x2 (t) = 1 +
1
− γ(1 − τ ) dτ = 1 − γt + γt2 .
2
0
22
Ðåøàÿ çàäà÷ó (2.20), íàõîäèì
min P2 (z1 + γq1 ) = min
γ>0
h ZT n
γ>0
2
1 o i2
− γ(1 − t) + 1 − γt + γt2 dt ,
2
0
îòêóäà γ1 = 21 . Èìååì
òîãäà
1
1
z2 (t) = t − ,
2
2
1
1
x2 (t) = 1 − t + t2 ,
2
4
Z1
(2.22)
(2.23)
∂f (x2 , z2 , t)
∂f (x2 , z2 , t)
dτ +
= 0.
∂x
∂z
(2.24)
t
Èç (2.24) ñëåäóåò, ÷òî â òî÷êå z2 íåîáõîäèìîå óñëîâèå (2.11) ìèíèìóìà âûïîëíåíî. Òàêèì
îáðàçîì, ôóíêöèîíàë P2 äîñòèãàåò ìèíèìóìà â òî÷êå z2 , îïðåäåëÿåìîé ñîîòíîøåíèåì (2.22)
(à òîãäà x2 âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå (2.23)), çäåñü P2 (z2 ) =
121
.
144
Îòìåòèì, ÷òî â ýòîì ïðèìåðå
ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà ïðèâ¼ë ê òî÷êå ìèíèìóìà çà îäèí øàã.
2.4
Ñëó÷àé îãðàíè÷åíèÿ íà ïðàâîì êîíöå
Âåðí¼ìñÿ ê èñõîäíîé ïîñòàíîâêå çàäà÷è. Ïóñòü ïîìèìî íà÷àëüíîãî óñëîâèÿ (2.6) çàäàíî
îãðàíè÷åíèå íà ïðàâîì êîíöå
x(T ) = xT .
(2.25)
Òðåáóåòñÿ íàéòè òàêóþ âåêòîð-ôóíêöèþ x∗ , óäîâëåòâîðÿþùóþ îãðàíè÷åíèÿì (2.6), (2.25),
êîòîðàÿ äîñòàâëÿåò ìèíèìóì ¾ïîëèíîìèàëüíîìó¿ ôóíêöèîíàëó (2.5).
Ââåä¼ì ôóíêöèþ
ϕ(z) =
n
X
ϕi (z),
(2.26)
i=1
â êîòîðîé
.
0
Çäåñü x0i i-àÿ êîìïîíåíòà âåêòîðà x0 , à xT i i-àÿ êîìïîíåíòà âåêòîðà xT , i = 1, n. Íåòðóäíî
óáåäèòüñÿ, ÷òî ϕ(z) = 0, êîãäà (2.25) âûïîëíÿåòñÿ, è ϕ(z) > 0, åñëè (2.25) íå èìååò ìåñòà.
Òåïåðü ìîæíî ñîñòàâèòü ôóíêöèîíàë
Φλ (z) = Pk (z) + λϕ(z),
23
(2.27)
ãäå λ äîñòàòî÷íî áîëüøîå ïîëîæèòåëüíîå ÷èñëî. Íèæå áóäåò ïîêàçàíî, ÷òî ïðè íåêîòîðûõ
äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ ýòî òî÷íàÿ øòðàôíàÿ ôóíêöèÿ. Òîãäà çàäà÷ó ìèíèìèçàöèè (2.5) ïðè íàëè÷èè îãðàíè÷åíèé (2.6), (2.25) ìîæíî ñâåñòè ê áåçóñëîâíîé ìèíèìèçàöèè
ôóíêöèîíàëà (2.27).
2.5
Äèôôåðåíöèàëüíûå ñâîéñòâà ôóíêöèîíàëà
ϕ
Ðàññìîòðèì ôóíêöèîíàë ϕ ïîäðîáíåå. Îáîçíà÷èì
ZT
zi (t)dt − xT i ,
ϕi (z) = x0i +
i = 1, n.
0
Ââåä¼ì èíäåêñíûå ìíîæåñòâà
I0 = {i = 1, n | ϕi (z) = 0},
I− = {i = 1, n | ϕi (z) < 0},
I+ = {i = 1, n | ϕi (z) > 0}.
Íàì òàêæå ïîòðåáóþòñÿ ìíîæåñòâà
Ω = {z ∈ Cn [0, T ] | ϕ(z) = 0},
Ωδ = {z ∈ Cn [0, T ] | ϕ(z) < δ},
Ωδ \ Ω = {z ∈ Cn [0, T ] | 0 < ϕ(z) < δ}.
Ïóñòü ñíà÷àëà ϕ(z) = 0.  ýòîì ñëó÷àå ôóíêöèÿ ϕ ñóáäèôôåðåíöèðóåìà, è å¼ ñóáäèôôåðåíöèàë ñ ó÷¼òîì (2.26) èìååò âèä
∂ϕ(z) =
n
nX
o
ωi ei | ωi ∈ [−1, 1], i = 1, n .
(2.28)
i=1
Ïóñòü òåïåðü ϕ(z) > 0.  äàííîì ñëó÷àå ôóíêöèÿ ϕ òàêæå îêàçûâàåòñÿ ñóáäèôôåðåíöèðóåìîé, è å¼ ñóáäèôôåðåíöèàë ñ ó÷¼òîì (2.26) âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
∂ϕ(z) =
nX
i∈I0
ωi ei +
n
X
µi ei | ωi ∈ [−1, 1], i ∈ I0 ,
i=1
o
µi = 0, åñëè i ∈ I0 , µi = 1, åñëè i ∈ I+ , µi = −1, åñëè i ∈ I− .
Èñïîëüçóÿ òó æå òåõíèêó, ÷òî è â [62, 65], ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî èìååò ìåñòî
24
Ïóñòü íàéä¼òñÿ òàêîå ïîëîæèòåëüíîå ÷èñëî λ0 < ∞, ÷òî ∀λ > λ0 ñóùåñòâóåò z(λ) ∈ Cn[0, T ], äëÿ êîòîðîãî Φλ(z(λ)) = z∈Cinf[0,T ] Φλ(z). Ïóñòü òàêæå ôóíêöèîíàë
Pk ÿâëÿåòñÿ ëèïøèöåâûì íà ìíîæåñòâå Ωδ \ Ω. Òîãäà ôóíêöèîíàë (2.27) áóäåò òî÷íîé
øòðàôíîé ôóíêöèåé.
Òåîðåìà 2.5.1.
n
Òåïåðü ìîæíî ñôîðìóëèðîâàòü íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà ¾ïîëèíîìèàëüíîãî¿
ôóíêöèîíàëà.
Òåîðåìà 2.5.2.
Ïóñòü âûïîëíåíû óñëîâèÿ Òåîðåìû 2.5.1. Äëÿ òîãî ÷òîáû òî÷êà
Zt
∗
x (t) = x0 +
z ∗ (τ )dτ
0
óäîâëåòâîðÿëà îãðàíè÷åíèÿì (2.6), (2.25) è òî÷êà z∗ äîñòàâëÿëà ìèíèìóì ôóíêöèîíàëó
(2.5), íåîáõîäèìî, ÷òîáû äëÿ âñåõ t èç ïðîìåæóòêà [0, T ] âûïîëíÿëîñü âêëþ÷åíèå
0n ∈
`
X
i=1
n ZT
n
o
nX
X
∂fj
∂fj i i
ai
dτ +
mj fj + λ
ωi ei | ωi ∈ [−1, 1], i = 1, n .
∂x
∂z
j=1
i=1
(2.29)
t
Äîêàçàòåëüñòâî. Ïî Òåîðåìå 2.5.1 ôóíêöèîíàë (2.27) òî÷íàÿ øòðàôíàÿ ôóíêöèÿ, ïîýòîìó ñóùåñòâóåò òàêîå ÷èñëî λ∗ , ÷òî ∀λ > λ∗ çàäà÷à ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà (2.5) ïðè
íàëè÷èè îãðàíè÷åíèé (2.6), (2.25) ýêâèâàëåíòíà çàäà÷å áåçóñëîâíîé ìèíèìèçàöèè (2.27). Äëÿ
òîãî ÷òîáû z ∗ áûëà òî÷êîé ìèíèìóìà (2.27), íåîáõîäèìî [23] âûïîëíåíèå ñîîòíîøåíèÿ
0n ∈ ∂Φ(z ∗ ).
(2.30)
Ïîñêîëüêó ïðè z ∈ Ω ñóáäèôôåðåíöèàë ôóíêöèè ϕ âûðàæàåòñÿ ñîîòíîøåíèåì (2.28), à
ôóíêöèîíàë Pk äèôôåðåíöèðóåì ïî Ãàòî è åãî ãðàäèåíò âûïèñàí â (2.15), òî óñëîâèå (2.30)
çàïèøåòñÿ â âèäå
0n ∈
`
X
i=1
n ZT
n
nX
o
X
∂fj
∂fj i i
ai
dτ +
mj fj + λ
ωi ei | ωi ∈ [−1, 1], i = 1, n ,
∂x
∂z
j=1
i=1
t
è âêëþ÷åíèå (2.29) äîêàçàíî.
2.6
Ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà
Íàéä¼ì ãèïîäèôôåðåíöèàë ôóíêöèîíàëà Φ. Äëÿ ãèïîäèôôåðåíöèàëà ôóíêöèîíàëîâ
ϕi , i = 1, n, èìååì ñëåäóþùåå âûðàæåíèå [25]:
dϕi (z) = co [ϕi (z) − ϕi (z), ei ], [−ϕi (z) − ϕi (z), −ei ] .
25
Òîãäà ãèïîäèôôåðåíöèàë ôóíêöèîíàëà Φ íàõîäèòñÿ ïî ôîðìóëå
`
n ZT
n
h X
X
X
∂fj
∂fj i i i
dΦ(z) = 0,
ai
dτ +
mj fj + λ
dϕi (z).
∂x
∂z
i=1
j=1
i=1
t
Èçâåñòíî, ÷òî íåîáõîäèìûì óñëîâèåì ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà (2.27) â òî÷êå z ∗ â òåðìèíàõ
ãèïîäèôôåðåíöèàëà ÿâëÿåòñÿ óñëîâèå [25]
(2.31)
[0, 0n ] ∈ dΦ(z ∗ ).
Ïåðåõîä îò ñóáäèôôåðåíöèàëà ê ãèïîäèôôåðåíöèàëó îáóñëîâëåí òåì ôàêòîì, ÷òî ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîå îòîáðàæåíèå, â îòëè÷èå îò ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî, ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíûì â ìåòðèêå Õàóñäîðôà [25], à ýòî ïîçâîëèò ãàðàíòèðîâàòü ñõîäèìîñòü â íåêîòîðîì
ñìûñëå ðàññìàòðèâàåìîãî ÷èñëåííîãî ìåòîäà.
Íàéä¼ì ìèíèìàëüíûé ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíò h = h(t, z) ∈ dΦ(z), ò. å. ðåøèì çàäà÷ó
min ||h||2 =
h∈dΦ(z)
ãäå
min
βk ∈[0,1], k=1,n
(2.32)
||h(β1 , . . . , βn )||2 ,
`
n ZT
h X
X
∂fj i i i
∂fj
h(β1 , . . . , βn ) = 0,
ai
dτ +
mj fj + λ β1 [ϕ1 − ϕ1 , e1 ] +
∂x
∂z
i=1
j=1
t
+ (1 − β1 )[−ϕ1 − ϕ1 , −e1 ] + · · · + βn [ϕn − ϕn , en ] + (1 − βn )[−ϕn − ϕn , −en ] =
= [λ(2β1 − 1)ϕ1 + · · · + λ(2βn − 1)ϕn − λϕ,
`
X
i=1
T
n Z
X
∂fj i i
∂fj
ai
dτ +
mj fj +
∂x
∂z
j=1
t
+ λ(2β1 − 1)e1 + · · · + λ(2βn − 1)en ] =
`
n
n
X
X
X
ai
= λ
(2βi − 1)ϕi − λϕ,
i=1
i=1
j=1
ZT
t
n
X
∂fj
∂fj i i
dτ +
mj fj + λ
(2βi − 1)ei .
∂x
∂z
i=1
Òàêèì îáðàçîì, çàäà÷ó (2.32) ìîæíî ïåðåïèñàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì:
min
βk ∈[0,1], k=1,n
+
ZT h X
`
0
i=1
n
λ
n
X
2
(2βi − 1)ϕi − λϕ +
i=1
n
n ZT
i2 o
X
X
∂fj
∂fj i i
(2βi − 1)ei dt .
ai
dτ +
mj fj + λ
∂x
∂z
i=1
j=1
(2.33)
t
Çàäà÷à (2.33) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäà÷ó êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ïðè íàëè÷èè ëèíåéíûõ îãðàíè÷åíèé. Äëÿ å¼ ðåøåíèÿ ìîæíî èñïîëüçîâàòü, íàïðèìåð, ìåòîä Âóëüôà èëè åãî
ìîäèôèêàöèþ [17]. Îáîçíà÷èì ýòî ðåøåíèå (β1∗ , . . . , βn∗ ).
26
Âåêòîð-ôóíêöèÿ
∗
q (t, z) =
`
X
i=1
T
n
n Z
X
X
∂fj
∂fj i i
(2βi∗ − 1)ei
ai
dτ +
mj fj + λ
∂x
∂z
i=1
j=1
(2.34)
t
ñîñòîèò èç ïîñëåäíèõ n êîìïîíåíò íàèìåíüøåãî ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíòà ôóíêöèîíàëà Φ.
∗
q (t,z)
Åñëè ||q ∗ (z)|| > 0 (â äàííîì ñëó÷àå z íå ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé Φ), òî − ||q
∗ (z)|| ïðåä-
ñòàâëÿåò ñîáîé íàïðàâëåíèå ñïóñêà ôóíêöèîíàëà Φ â òî÷êå z .
Ïåðåéäåì ê îïèñàíèþ ìåòîäà ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà [25] äëÿ íàõîæäåíèÿ ñòàöèîíàðíûõ òî÷åê ôóíêöèîíàëà Φ. Âûáåðåì ïðîèçâîëüíîå z1 ∈ Cn [0, T ]. Ïóñòü óæå íàéäåíî
zp ∈ Cn [0, T ]. Åñëè ϕ(zp ) = 0 è âûïîëíåíî íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà (2.29) èëè (2.31),
òî òî÷êà zp ñòàöèîíàðíàÿ, è ïðîöåññ ïðåêðàùàåòñÿ. Åñëè æå óñëîâèå ϕ(zp ) = 0 íå âûïîëíåíî
èëè ϕ(zp ) = 0, íî íå âûïîëíåíî íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà (2.29) èëè (2.31), òî ïîëîæèì
zp+1 = zp − γp qp∗ ,
ãäå qp∗ = q ∗ (t, zp ) îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé (2.34), à γp ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì çàäà÷è îäíîìåðíîé
ìèíèìèçàöèè
min Φ(zp − γqp∗ ) = Φ(zp − γp qp∗ ).
γ>0
Òîãäà
Φ(zp+1 ) 6 Φ(zp ).
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {zp } áåñêîíå÷íà, òî ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ñõîäèòñÿ [23] â ñëåäóþùåì ñìûñëå:
v
u T
uZ
u
||h(zp )|| = t
h(t, zp ), h(t, zp ) dt → 0 ïðè p → ∞.
0
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {zp } êîíå÷íà, òî ïîñëåäíÿÿ å¼ òî÷êà åñòü ñòàöèîíàðíàÿ òî÷êà ôóíêöèîíàëà Φ ïî ïîñòðîåíèþ.
Äëÿ èëëþñòðàöèè ðàáîòû ìåòîäà ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ðàññìîòðèì ïðèìåð.
Ïðèìåð 2.6.1. Ïóñòü òðåáóåòñÿ íàéòè ìèíèìóì ôóíêöèîíàëà
h Z1 n
o i2
2
P2 =
ẋ (t) − tx(t) dt ,
x(0) = 1,
x(1) = 2.
0
Ïîëîæèì λ = 100, z1 (t) = 0, òîãäà x1 (t) = 1.  äàííîì ñëó÷àå ñóáäèôôåðåíöèàë ôóíêöèîíàëà Φ èìååò âèä
∂Φ(z) = −
1 1 2
+ t + 2z(t) I1 (x) + λ(ω + µ),
2 2
27
ãäå
Z t
Z1 n
Z1 n
o
o
2
2
z (t) − t x0 +
z(τ )dτ dt,
ẋ (t) − tx(t) dt =
I1 (x) =
0
0
0
à âåëè÷èíû ω è ν îïðåäåëåíû â âûðàæåíèè äëÿ ñóáäèôôåðåíöèàëà ∂ϕ(z) ïåðåä Òåîðåìîé 2.5.1. Ãèïîäèôôåðåíöèàë ôóíêöèîíàëà Φ âû÷èñëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå
1 1
dΦ(z) = 0, − + t2 + 2z(t) I1 (x) + λco [ϕ(z) − ϕ(z), 1], [−ϕ(z) − ϕ(z), −1] ,
2 2
çäåñü
ZT
ϕ(z) = |ϕ(z)|, ϕ(z) = x0 +
z(t)dt − xT .
0
 Òàáëèöå 2.6.1 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàáîòû ìåòîäà ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà.
Òàáëèöà 2.6.1. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÃÑ
k
zk
xk
||q ∗ (zk )||
Φ(zk )
1
0
1
99.833
100.25
0.00419
0.02782
0
0.02596
2 0.99917 + 0.0025t2 1 + 0.99917t + 0.0008(3)t3
3
1.08(3) − 0.25t2
1 + 1.08(3)t − 0.08(3)t3
Èç Òàáëèöû 2.6.1 âèäíî, ÷òî â òî÷êå z3 íåîáõîäèìîå óñëîâèå (2.31) ìèíèìóìà âûïîëíåíî
(q ∗ (z3 ) = 0).
2.7
Íåêîòîðûå ïðèëîæåíèÿ
Ïðèâåä¼ì ïðèìåðû çàäà÷, êîòîðûå ìîãóò ïðèâîäèòü ê íåîáõîäèìîñòè ìèíèìèçàöèè
¾ïîëèíîìèàëüíîãî¿ ôóíêöèîíàëà.
Ðàññìîòðèì âíà÷àëå çàäà÷ó íàõîæäåíèÿ òàêèõ âåêòîð-ôóíêöèé x ∈ Cn1 [0, T ] ñ çàäàííûì íà÷àëüíûì ïîëîæåíèåì x0 , êîòîðûå óäîâëåòâîðÿþò èíòåãðàëüíîìó ñîîòíîøåíèþ
ZT
(2.35)
g(x, ẋ, t)dt = K,
0
ãäå K çàäàííàÿ êîíñòàíòà. Ôóíêöèþ g(x, ẋ, t) ñ÷èòàåì âåùåñòâåííîé, íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìîé ïî x è ẋ è íåïðåðûâíîé ïî âñåì òð¼ì àðãóìåíòàì. Íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî çàäà÷à
(2.35) ýêâèâàëåíòíà çàäà÷å ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà
P2 =
ZT
g(x, ẋ, t)dt − K
0
28
2
,
êîòîðûé ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé êâàäðàòè÷íûé òð¼õ÷ëåí îò èíòåãðàëüíîãî ôóíêöèîíàëà. Åñëè
äîïîëíèòåëüíî ïðèñóòñòâóåò îãðàíè÷åíèå íà ïðàâîì êîíöå xT , òî òðåáóåòñÿ ìèíèìèçèðîâàòü
ôóíêöèîíàë
P2 =
ZT
g(x, ẋ, t)dt − K
2
ZT
ẋ(t)dt − xT
+ x0 +
0
2
.
(2.36)
0
Çàìåòèì, ÷òî â îòëè÷èå îò îáùåãî ñëó÷àÿ çàäà÷è ñ îãðàíè÷åíèåì íà ïðàâîì êîíöå, ðàññìîòðåííîãî âûøå, çäåñü ìèíèìóì ôóíêöèîíàëà (2.36) èùåòñÿ íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå, ïîñêîëüêó
ïðåäïîëàãàåòñÿ, ÷òî ñóùåñòâóåò ðåøåíèå çàäà÷è (2.35), óäîâëåòâîðÿþùåå çàäàííûì íà÷àëüíîìó è êîíå÷íîìó óñëîâèÿì. Ïîýòîìó â äàííîì ñëó÷àå íå âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòè ñòðîèòü
òî÷íóþ øòðàôíóþ ôóíêöèþ è èñïîëüçîâàòü ìåòîäû íåãëàäêîé îïòèìèçàöèè.
Àíàëîãè÷íûì îáðàçîì ê çàäà÷å ìèíèìèçàöèè ¾ïîëèíîìèàëüíîãî¿ ôóíêöèîíàëà ìîæíî
ñâåñòè ëþáîå èíòåãðàëüíîå ñîîòíîøåíèå, ñîäåðæàùåå ïîëîæèòåëüíûå ñòåïåíè èíòåãðàëüíûõ
ôóíêöèîíàëîâ è êîíñòàíòû.
Âåðí¼ìñÿ ê çàäà÷å (2.1)(2.3). Ñ ó÷¼òîì (2.4) íåòðóäíî ïðîâåðèòü, ÷òî èìååò ìåñòî
Òåîðåìà 2.7.1.
Äëÿ òîãî ÷òîáû ðåøåíèå
Zt
∗
x (t) = x0 +
z ∗ (τ )dτ
0
ñèñòåìû (2.1) ïðè óïðàâëåíèè u∗ ∈ U óäîâëåòâîðÿëî óñëîâèÿì (2.2), (2.3) íåîáõîäèìî, ÷òîáû äëÿ âñåõ t èç ïðîìåæóòêà [0, T ] âûïîëíÿëèñü ñîîòíîøåíèÿ
ZT
∂y(x∗ , z ∗ , u∗ , t) 0
∂y(x∗ , z ∗ , u∗ , τ ) 0 ∗ ∗ ∗
y(x , z , u , τ )dτ +
y(x∗ , z ∗ , u∗ , t) +
∂x
∂z
t
T
+
s Z
X
i=1
ZT ∂y (x∗ , z ∗ , u∗ , τ )
∂y0i (x∗ , z ∗ , u∗ , t)
0i
dτ +
= 0n ,
y0i (x , z , u , t)dt − Li
∂x
∂z
∗
∗
∗
0
t
∂y(x∗ , z ∗ , u∗ , t) 0
∂u
T
+
s Z
X
i=1
y(x∗ , z ∗ , u∗ , t)+
∂y (x∗ , z ∗ , u∗ , t)
0i
y0i (x , z , u , t)dt − Li
= 0m .
∂u
∗
∗
∗
0
Íàêîíåö, åñëè ñèñòåìà (2.1) ðàçðåøåíà îòíîñèòåëüíî ïðîèçâîäíûõ, ò. å. ðàññìàòðèâàåòñÿ ñèñòåìà îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé â íîðìàëüíîé ôîðìå
ẋ = y(x, u, t)
(2.37)
x(0) = x0 ,
(2.38)
ñ çàäàííûì íà÷àëüíûì óñëîâèåì
29
òî èç Òåîðåìû 2.7.1 ñëåäóåò
Òåîðåìà 2.7.2.
Äëÿ òîãî ÷òîáû ðåøåíèå
Zt
∗
x (t) = x0 +
z ∗ (τ )dτ
0
ñèñòåìû (2.37) ïðè óïðàâëåíèè u∗ ∈ U óäîâëåòâîðÿëî óñëîâèÿì (2.3), (2.38) íåîáõîäèìî,
÷òîáû äëÿ âñåõ t èç ïðîìåæóòêà [0, T ] âûïîëíÿëèñü ñîîòíîøåíèÿ
∗
∗
∗
∗
z (t) − y(x , z , u , t) −
ZT
∂y(x∗ , z ∗ , u∗ , τ ) 0 ∗
z (τ ) − y(x∗ , z ∗ , u∗ , τ ) dτ +
∂x
t
T
+
s Z
X
i=1
ZT ∂y (x∗ , z ∗ , u∗ , τ )
∂y0i (x∗ , z ∗ , u∗ , t)
0i
y0i (x , z , u , t)dt − Li
dτ +
= 0n ,
∂x
∂z
∗
∗
∗
0
t
∗
−
+
i=1
∗
∂y(x , z , u , t) 0 ∗
z (t) − y(x∗ , z ∗ , u∗ , t) +
∂u
T
s Z
X
∗
∂y (x∗ , z ∗ , u∗ , t)
0i
= 0m .
y0i (x , z , u , t)dt − Li
∂u
∗
∗
∗
0
Êàê óæå áûëî îòìå÷åíî âûøå, íåîáõîäèìîñòü ìèíèìèçàöèè ïðîèçâåäåíèÿ ñòåïåíåé èíòåãðàëîâ âîçíèêàåò â çàäà÷å îïðåäåëåíèÿ îïòèìàëüíûõ â òîì èëè èíîì ñìûñëå ôîðì àýðîäèíàìè÷åñêèõ îáúåêòîâ.  êà÷åñòâå êîíêðåòíîãî ïðèìåðà ðàññìîòðèì çàäà÷ó ìèíèìèçàöèè
ñëåäóþùåãî èíòåãðàëà êà÷åñòâà:
I = I1m1 I2m1 I3m3 ,
çäåñü
Z1
I1 =
x(t)ẋ3 (t)dt,
Z1
I2 =
0
Z1
x(t)dt,
0
x(0) = 0,
I3 =
x2 (t)dt,
0
x(1) = 1,
à m1 , m2 , m3 íåêîòîðûå öåëûå íåîòðèöàòåëüíûå ÷èñëà. Ìû íå îñòàíàâëèâàåìñÿ ïîäðîáíî
íà ôèçè÷åñêîì ñìûñëå ôóíêöèîíàëà I . Îòìåòèì ëèøü, ÷òî èíòåãðàëû I1 , I2 , I3 ñ òî÷íîñòüþ
äî ïîñòîÿííûõ ìíîæèòåëåé ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ëîáîâîå ñîïðîòèâëåíèå, ïëîùàäü è îáú¼ì
îáúåêòà ñîîòâåòñòâåííî è âîçíèêàþò ïðè ðàññìîòðåíèè îñåñèììåòðè÷íîãî òîíêîãî òåëà, íàõîäÿùåãîñÿ â íüþòîíîâñêîì ãèïåðçâóêîâîì ïîòîêå ïîä íóëåâûì óãëîì àòàêè. Äåòàëüíîå îïèñàíèå äàííîé çàäà÷è ìîæíî íàéòè â [111].
30
Ãëàâà 3
Ïðîãðàììíîå óïðàâëåíèå
 ýòîì ðàçäåëå èëëþñòðèðóåòñÿ ïðèìåíåíèå ìåòîäà ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà è
ìåòîäà ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ê çàäà÷å íàõîæäåíèÿ ïðîãðàììíîãî óïðàâëåíèÿ äèíàìèêîé îáúåêòà, êîòîðàÿ îïèñûâàåòñÿ ñèñòåìîé îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé.  íåêîòîðûõ ðàáîòàõ, íàïðèìåð [34, 32], ïðåäñòàâëåíî àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå çàäà÷è
ïîñòðîåíèÿ ïðîãðàììíîãî óïðàâëåíèÿ êàê äëÿ ëèíåéíûõ ñèñòåì, òàê è äëÿ íåëèíåéíîãî ñëó÷àÿ. Îäíàêî â ýòîì àíàëèòè÷åñêîì ðåøåíèè èñïîëüçóåòñÿ ôóíäàìåíòàëüíàÿ ìàòðèöà ñèñòåìû, ïîëó÷èòü êîòîðóþ äàæå â ñëó÷àå ëèíåéíûõ íåñòàöèîíàðíûõ ñèñòåì, âîîáùå ãîâîðÿ, íå
ïðåäñòàâëÿåòñÿ âîçìîæíûì.
3.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è
Ðàññìîòðèì êðàåâóþ çàäà÷ó
ẋ = f (x, u, t), t ∈ [0, T ],
(3.1)
x(0) = x0 ,
(3.2)
x(T ) = xT .
(3.3)
Ñ÷èòàåì ñèñòåìó (3.1) óïðàâëÿåìîé [34] èç íà÷àëüíîãî ïîëîæåíèÿ (3.2) â êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå (3.3). Çäåñü T > 0 çàäàííûé ìîìåíò âðåìåíè, f (x, u, t) âåùåñòâåííàÿ n-ìåðíàÿ
âåêòîð-ôóíêöèÿ, x n-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ ôàçîâûõ êîîðäèíàò, êîòîðóþ áóäåì ñ÷èòàòü
íåïðåðûâíîé ñ êóñî÷íî-íåïðåðûâíîé íà [0, T ] ïðîèçâîäíîé, x0 , xT ∈ Rn çàäàííûå âåêòîðû. Ïðåäïîëàãàåì f (x, u, t) íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìîé ïî x è u è íåïðåðûâíîé ïî
âñåì òð¼ì àðãóìåíòàì. Ïóñòü m-ìåðíîå óïðàâëåíèå u ïðèíàäëåæèò ñëåäóþùåìó ìíîæåñòâó
31
Z
T
u(t), u(t) dt 6 C ,
(3.4)
0
ãäå C çàäàííàÿ êîíñòàíòà.
Ðàññìîòðèì ñëåäóþùóþ çàäà÷ó. Òðåáóåòñÿ ïîäîáðàòü òàêîå óïðàâëåíèå, êîòîðîå ïðèíàäëåæèò ìíîæåñòâó äîïóñòèìûõ óïðàâëåíèé (3.4) è ïåðåâîäèò ñèñòåìó (3.1) èç íà÷àëüíîãî
ïîëîæåíèÿ (3.2) â êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå (3.3) çà âðåìÿ T .
3.2
Ñâåäåíèå ê âàðèàöèîííîé çàäà÷å
Ïîëîæèì z(t) = ẋ(t), z ∈ Pn [0, T ]. Òîãäà ñ ó÷¼òîì (3.2) èìååì
Z t
z(τ )dτ.
x(t) = x0 +
0
Ââåä¼ì â ðàññìîòðåíèå ôóíêöèîíàë
Z
1 T
I(z, u) =
ϕ(z, u, t), ϕ(z, u, t) dt +
2 0
Z T
n
X
+ max{0,
u(t), u(t) dt − C} +
ψi (z),
0
(3.5)
i=1
ãäå
Z
ϕ(z, u, t) = z(t) − f x0 +
t
z(τ )dτ, u, t ,
0
T
Z
ψi (z) = |ψ i (z)|, ψ i (z) = x0i +
zi (t)dt − xT i , i = 1, n,
0
à x0i i-àÿ êîìïîíåíòà âåêòîðà x0 , xT i i-àÿ êîìïîíåíòà âåêòîðà xT , i = 1, n.
Íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî ôóíêöèîíàë (3.5) íåîòðèöàòåëåí äëÿ âñåõ z ∈ Pn [0, T ] è äëÿ âñåõ
u ∈ Pm [0, T ] è îáðàùàåòñÿ â íîëü â òî÷êå [z ∗ , u∗ ] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ] òîãäà è òîëüêî òîãäà,
êîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ
∗
Z
x (t) = x0 +
t
z ∗ (τ )dτ
0
ÿâëÿåòñÿ ïðîãðàììíûì äâèæåíèåì, ñîîòâåòñòâóþùèì èñêîìîìó ïðîãðàììíîìó óïðàâëåíèþ
u∗ ∈ U .
3.3
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà
Ââåä¼ì ìíîæåñòâî
x0 +
Z
0
32
T
z(t)dt = xT .
Íèæå íàì òàêæå ïîòðåáóþòñÿ èíäåêñíûå ìíîæåñòâà
I0 = {i = 1, n | ψ i (z) = 0},
I− = {i = 1, n | ψ i (z) < 0},
I+ = {i = 1, n | ψ i (z) > 0}
è ñëåäóþùèå ìíîæåñòâà óïðàâëåíèé
T
Z
u(t), u(t) dt − C = 0 ,
0
T
Z
u(t), u(t) dt − C < 0 ,
0
T
Z
u(t), u(t) dt − C > 0 .
0
Èñïîëüçóÿ òó æå òåõíèêó, ÷òî è â [65] íåòðóäíî óáåäèòüñÿ â ñïðàâåäëèâîñòè ñëåäóþùåé
òåîðåìû.
Ôóíêöèîíàë I ñóáäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ñóáäèôôåðåíöèàë â òî÷êå [z, u]
âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Òåîðåìà 3.3.1.
∂I(z, u) =
nh
Z
z(t) − f (x, u, t) −
T
∂f (x, u, τ ) 0
∂x
t
+
X
ωi ei +
n
X
µj ej , −
j=1
i∈I0
∂f (x, u, t) 0
∂u
z(τ ) − f (x, u, τ ) dτ +
i
ωi ∈ [−1, 1], i ∈ I0 ,
µj = 0, j ∈ I0 , µj = 1, j ∈ I+ , µj = −1, j ∈ I− ,
o
ν ∈ [0, 1], u ∈ U0 , ν = 1, u ∈ U+ , ν = 0, u ∈ U− .
Åñëè z ∈ Ω, u ∈ U , òî ôóíêöèîíàë I ñóáäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ñóáäèôôåðåíöèàë â òî÷êå [z, u] âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Ñëåäñòâèå 3.3.1.
∂I(z, u) =
+
n
X
i=1
nh
Z
z(t) − f (x, u, t) −
T
∂f (x, u, τ ) 0
z(τ ) − f (x, u, τ ) dτ +
∂x
t
∂f (x, u, t) 0
i
ωi ei , −
z(t) − f (x, u, t) + 2νu
ωi ∈ [−1, 1], i = 1, n,
∂u
o
ν ∈ [0, 1], u ∈ U0 , ν = 0, u ∈ U− .
(3.6)
Åñëè ñèñòåìà (3.1) ëèíåéíà ïî ôàçîâûì ïåðåìåííûì x è ïî óïðàâëåíèþ u,
òî ôóíêöèîíàë I ÿâëÿåòñÿ âûïóêëûì.
Ëåììà 3.3.1.
33
Äîêàçàòåëüñòâî. Ïðåäñòàâèì ôóíêöèîíàë (3.5) â âèäå
1
I(z, u) = I1 (z, u) + I2 (u) + I3 (z),
2
ãäå I1 (z, u), I2 (u), I3 (z) ñîîòâåòñòâóþùèå ñëàãàåìûå èç ïðàâîé ÷àñòè (3.5). Ôóíêöèîíàëû
I2 (u) è I3 (z) âûïóêëû êàê ìàêñèìóìû âûïóêëûõ ôóíêöèîíàëîâ [24]. Ïîêàæåì âûïóêëîñòü
ôóíêöèîíàëà I1 â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè ñèñòåìû (3.1).
Ïóñòü ñèñòåìà (3.1) èìååò âèä
ẋ = A(t)x + B(t)u + w(t),
ãäå A(t) n × n-ìàòðèöà, B(t) n × m-ìàòðèöà, w(t) n-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ. Ñ÷èòàåì A(t), B(t), w(t) âåùåñòâåííûìè è íåïðåðûâíûìè íà [0, T ]. Ïóñòü z1 , z2 ∈ Pn [0, T ],
u1 , u2 ∈ Pm [0, T ], α ∈ (0, 1). Èìååì
I1 α(z1 , u1 ) + (1 − α)(z2 , u2 ) =
αz1 (t) + (1 − α)z2 (t)−
Z t
−A(t) x0 +
αz1 (τ ) + (1 − α)z2 (τ ) dτ −
0
2
−B(t) αu1 (t) + (1 − α)u2 (t) − w(t)
αϕ(z1 , u1 ) + (1 − α)ϕ(z2 , u2 )
=
Z T
Z T
2
=α
ϕ(z1 , u1 ), ϕ(z1 , u1 ) dt + 2α(1 − α)
ϕ(z1 , u1 ), ϕ(z2 , u2 ) dt+
0
0
+(1 − α)2
T
Z
ϕ(z2 , u2 ), ϕ(z2 , u2 ) dt = α
T
Z
0
ϕ(z1 , u1 ), ϕ(z1 , u1 ) dt+
0
T
Z
ϕ(z1 , u1 ), ϕ(z2 , u2 ) dt + 2α(1 − α)
+(1 − α)
Z
0
T
ϕ(z1 , u1 ), ϕ(z1 , u1 ) dt − α(1 − α)
−α(1 − α)
0
=α
ϕ(z1 , u1 ), ϕ(z2 , u2 ) dt−
0
Z
Z
T
T
Z
ϕ(z2 , u2 ), ϕ(z2 , u2 ) dt =
0
T
ϕ(z1 , u1 ), ϕ(z1 , u1 ) dt + (1 − α)
0
Z
T
ϕ(z2 , u2 ), ϕ(z2 , u2 ) dt−
0
Z
−α(1 − α)
T
ϕ(z1 , u1 ) − ϕ(z2 , u2 ), ϕ(z1 , u1 ) − ϕ(z2 , u2 ) dt.
0
 ñèëó íåîòðèöàòåëüíîñòè ïîñëåäíåãî ñëàãàåìîãî èìååì äëÿ âñåõ z1 , z2
∈ Pn [0, T ],
u1 , u2 ∈ Pm [0, T ], α ∈ (0, 1)
I1 α(z1 , u1 ) + (1 − α)(z2 , u2 ) 6 αI1 (z1 , u1 ) + (1 − α)I1 (z2 , u2 ),
÷òî è äîêàçûâàåò âûïóêëîñòü ôóíêöèîíàëà I1 .
Òåïåðü îñòà¼òñÿ çàìåòèòü, ÷òî ôóíêöèîíàë I ÿâëÿåòñÿ âûïóêëûì (â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè
èñõîäíîé ñèñòåìû) êàê ñóììà âûïóêëûõ ôóíêöèîíàëîâ [24].
Ëåììà äîêàçàíà.
34
Èçâåñòíî, ÷òî íåîáõîäèìûì, à â ñëó÷àå âûïóêëîñòè è äîñòàòî÷íûì óñëîâèåì ìèíèìóìà
ôóíêöèîíàëà (3.5) â òî÷êå [z ∗ , u∗ ] â òåðìèíàõ ñóáäèôôåðåíöèàëà ÿâëÿåòñÿ óñëîâèå [23]
0n+m ∈ ∂I(z ∗ , u∗ ),
ãäå 0n+m íóëåâîé ýëåìåíòà ïðîñòðàíñòâà Pn [0, T ] × Pm [0, T ]. Îòñþäà è èç Ëåììû 3.3.1
çàêëþ÷àåì, ÷òî ñïðàâåäëèâà
Òåîðåìà 3.3.2. Äëÿ òîãî, ÷òîáû óïðàâëåíèå u∗ ∈ U
ïåðåâîäèëî ñèñòåìó (3.1) èç íà÷àëüíîãî
ïîëîæåíèÿ (3.2) â êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå (3.3) çà âðåìÿ T , íåîáõîäèìî, à â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè
ñèñòåìû (3.1) è äîñòàòî÷íî, ÷òîáû
(3.7)
0n+m ∈ ∂I(z ∗ , u∗ ),
ãäå âûðàæåíèå äëÿ ñóáäèôôåðåíöèàëà ∂I(z, u) âûïèñàíî â ôîðìóëå (3.6).
3.4
Ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà
Íàéä¼ì ìèíèìàëüíûé ïî íîðìå ñóáãðàäèåíò
h = h(t, z, u) ∈ ∂I(z, u)
â òî÷êå [z, u], òî åñòü ðåøèì çàäà÷ó
hZ
2
min ||h|| = min
h∈∂I(z,u)
ωi , i∈I0 , ν
T
s1 (t) +
0
X
2
s1 (t) = s1 (t) +
T
ωi ei dt +
n
X
2 i
s2 (t) + 2νu dt ,
(3.8)
0
i∈I0
ãäå
Z
µj e j ,
j=1
Z
T
s1 (t) = z(t) − f (x, u, t) −
∂f (x, u, τ ) 0
∂x
t
s2 (t) = −
∂f (x, u, t) 0
∂u
z(τ ) − f (x, u, τ ) dτ,
z(t) − f (x, u, t) ,
à âåëè÷èíû ωi , i ∈ I0 , µj , j = 1, n, ν îïðåäåëåíû â Òåîðåìå 3.3.1.
Çàäà÷à (3.8) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäà÷ó êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ïðè íàëè÷èè
ëèíåéíûõ îãðàíè÷åíèé è ìîæåò áûòü ðåøåíà îäíèì èç èçâåñòíûõ ìåòîäîâ [18]. Îáîçíà÷èì
ωi∗ , i ∈ I0 , ν ∗ å¼ ðåøåíèå. Òîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ
h
i
X
G(t, z, u) := h∗ = s1 (t) +
ωi∗ ei , s2 (t) + 2ν ∗ u
i∈I0
35
ÿâëÿåòñÿ íàèìåíüøèì ïî íîðìå ñóáãðàäèåíòîì ôóíêöèîíàëà I â òî÷êå [z, u]. Åñëè
G(t,z,u)
||G(z, u)|| > 0, òî âåêòîð-ôóíêöèÿ − ||G(z,u)||
ÿâëÿåòñÿ íàïðàâëåíèåì ñóáäèôôåðåíöèàëüíî-
ãî ñïóñêà ôóíêöèîíàëà I â òî÷êå [z, u].
Îïèøåì ñëåäóþùèé ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà äëÿ ïîèñêà ñòàöèîíàðíûõ
òî÷åê ôóíêöèîíàëà I . Ôèêñèðóåì ïðîèçâîëüíóþ òî÷êó [z1 , u1 ] ∈ Pn [0, T ]×Pm [0, T ]. Ïóñòü óæå
ïîñòðîåíà òî÷êà [zk , uk ] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ]. Åñëè âûïîëíåíî íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà
(3.7), òî òî÷êà [zk , uk ] ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé ôóíêöèîíàëà I , è ïðîöåññ ïðåêðàùàåòñÿ.
 ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïîëîæèì
[zk+1 , uk+1 ] = [zk , uk ] − αk Gk ,
ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ Gk = G(t, zk , uk ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íàèìåíüøèé ïî íîðìå ñóáãðàäèåíò ôóíêöèîíàëà I â òî÷êå [zk , uk ], à âåëè÷èíà αk ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñëåäóþùåé çàäà÷è
îäíîìåðíîé ìèíèìèçàöèè
min I([zk , uk ] − αGk ) = I([zk , uk ] − αk Gk ).
α>0
Òîãäà
I(zk+1 , uk+1 ) 6 I(zk , uk ).
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[zk , uk ]} êîíå÷íà, òî ïîñëåäíÿÿ å¼ òî÷êà ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé ôóíêöèîíàëà I ïî ïîñòðîåíèþ.
Åñëè æå ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[zk , uk ]} áåñêîíå÷íà, òî îïèñàííûé ïðîöåññ ìîæåò è íå
ïðèâåñòè ê ñòàöèîíàðíîé òî÷êå ôóíêöèîíàëà I , ïîñêîëüêó ñóáäèôôåðåíöèàëüíîå îòîáðàæåíèå ∂I(z, u) íå ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíûì â ìåòðèêå Õàóñäîðôà [24].
3.5
Ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà
Íàéä¼ì ãèïîäèôôåðåíöèàë ôóíêöèîíàëà I . Äëÿ ãèïîäèôôåðåíöèàëà ôóíêöèîíàëîâ
ψi , i = 1, n, èìååì ñëåäóþùåå âûðàæåíèå [28]
dψi (z) = co
ψ i (z) − ψi (z), ei , − ψ i (z) − ψi (z), −ei .
Ïóñòü, êàê è ðàíåå,
Z
T
u(t), u(t) dt − C}.
I2 (u) = max{0,
0
Äëÿ ãèïîäèôôåðåíöèàëà ôóíêöèîíàëà I2 èìååì âûðàæåíèå
Z
T
dI2 (u) = co
u(t), u(t) dt − C − I2 (u), 2u , − I2 (u), 0m .
0
36
Òîãäà ãèïîäèôôåðåíöèàë ôóíêöèîíàëà I âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
dI(z, u) = 0, s1 (t), s2 (t) +
+
n
X
co
Z
T
ψ i (z) − ψi (z), ei , 0m , − ψ i (z) − ψi (z), −ei , 0m +
(3.9)
i=1
+co
u(t), u(t) dt − C − I2 (u), 0n , 2u , − I2 (u), 0n , 0m .
0
Ïåðåõîä îò ñóáäèôôåðåíöèàëà ê ãèïîäèôôåðåíöèàëó îáóñëîâëåí òåì ôàêòîì, ÷òî ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîå îòîáðàæåíèå, â îòëè÷èå îò ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî, ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíûì â ìåòðèêå Õàóñäîðôà [25], ÷òî ïîçâîëèò ãàðàíòèðîâàòü ñõîäèìîñòü â íåêîòîðîì
ñìûñëå ðàññìàòðèâàåìîãî ÷èñëåííîãî ìåòîäà.
Èçâåñòíî, ÷òî íåîáõîäèìûì, à â ñëó÷àå âûïóêëîñòè è äîñòàòî÷íûì óñëîâèåì ìèíèìóìà
ôóíêöèîíàëà (3.5) â òî÷êå [z ∗ , u∗ ] â òåðìèíàõ ãèïîäèôôåðåíöèàëà ÿâëÿåòñÿ óñëîâèå [25]
0n+m+1 ∈ dI(z ∗ , u∗ ).
Îòñþäà è èç Ëåììû 3.3.1 çàêëþ÷àåì, ÷òî ñïðàâåäëèâà
Òåîðåìà 3.5.1. Äëÿ òîãî, ÷òîáû óïðàâëåíèå u∗ ∈ U
ïåðåâîäèëî ñèñòåìó (3.1) èç íà÷àëüíîãî
ïîëîæåíèÿ (3.2) â êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå (3.3) çà âðåìÿ T , íåîáõîäèìî, à â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè
ñèñòåìû (3.1) è äîñòàòî÷íî, ÷òîáû
(3.10)
0n+m+1 ∈ dI(z ∗ , u∗ ),
ãäå âûðàæåíèå äëÿ ãèïîäèôôåðåíöèàëà dI(z, u) âûïèñàíî â ôîðìóëå (3.9).
Íàéä¼ì ìèíèìàëüíûé ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíò
g(t, z, u) ∈ dI(z, u)
ôóíêöèîíàëà I â òî÷êå [z, u], òî åñòü ðåøèì çàäà÷ó
min ||g||2 =
g∈dI(z,u)
+
+βn+1
n
X
i=1
Z
T
min
βi ∈[0,1], i=1,n+1
0, s1 (t), s2 (t) +
βi ψ i (z) − ψi (z), ei , 0m + (1 − βi ) − ψ i (z) − ψi (z), −ei , 0m +
(3.11)
2
u(t), u(t) dt − C − I2 (u), 0n , 2u + (1 − βn+1 ) − I2 (u), 0n , 0m
.
0
Çàäà÷à (3.11) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäà÷ó êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ïðè íàëè÷èè ëèíåéíûõ îãðàíè÷åíèé è ìîæåò áûòü ðåøåíà îäíèì èç èçâåñòíûõ ìåòîäîâ [18]. Îáîçíà÷èì βi∗ , i = 1, n + 1, å¼ ðåøåíèå. Ïóñòü g = [g1 , g2 ], ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ g2 ñîñòîèò èç
37
ïîñëåäíèõ n + m êîìïîíåíò âåêòîð-ôóíêöèè g . Òîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ
n
X
∗
G(t, z, u) := g2∗ = s1 (t), s2 (t) +
βi ei , 0m + (1 − βi∗ ) − ei , 0m +
i=1
∗
∗
+βn+1
0n , 2u + (1 − βn+1
) 0n , 0m
ÿâëÿåòñÿ âåêòîð-ôóíêöèåé, ñîñòîÿùåé èç ïîñëåäíèõ n + m êîìïîíåíò íàèìåíüøåãî ïî íîðìå
G(t,z,u)
ãèïîãðàäèåíòà ôóíêöèîíàëà I â òî÷êå [z, u]. Åñëè ||G(z, u)|| > 0, òî âåêòîð-ôóíêöèÿ − ||G(z,u)||
ÿâëÿåòñÿ íàïðàâëåíèåì ãèïîãðàäèåíòíîãî ñïóñêà ôóíêöèîíàëà I â òî÷êå [z, u].
Îïèøåì ñëåäóþùèé ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà äëÿ ïîèñêà ñòàöèîíàðíûõ
òî÷åê ôóíêöèîíàëà I . Ôèêñèðóåì ïðîèçâîëüíóþ òî÷êó [z1 , u1 ] ∈ Pn [0, T ]×Pm [0, T ]. Ïóñòü óæå
ïîñòðîåíà òî÷êà [zk , uk ] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ]. Åñëè âûïîëíåíî íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà
(3.7) èëè (3.10), òî òî÷êà [zk , uk ] ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé ôóíêöèîíàëà I , è ïðîöåññ
ïðåêðàùàåòñÿ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïîëîæèì
[zk+1 , uk+1 ] = [zk , uk ] − αk Gk ,
ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ Gk = G(t, zk , uk ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âåêòîð-ôóíêöèþ, ñîñòîÿùóþ èç
ïîñëåäíèõ n + m êîìïîíåíò íàèìåíüøåãî ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíòà ôóíêöèîíàëà I â òî÷êå
[zk , uk ], à âåëè÷èíà αk ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñëåäóþùåé çàäà÷è îäíîìåðíîé ìèíèìèçàöèè
min I([zk , uk ] − αGk ) = I([zk , uk ] − αk Gk ).
α>0
Òîãäà
I(zk+1 , uk+1 ) 6 I(zk , uk ).
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[zk , uk ]} áåñêîíå÷íà, òî ïðè íåêîòîðûõ äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ñõîäèòñÿ â ñëåäóþùåì
ñìûñëå
s
Z
||g(zk , uk )|| =
T
g(t, zk , uk ), g(t, zk , uk ) dt → 0 ïðè k → ∞.
0
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[zk , uk ]} êîíå÷íà, òî ïîñëåäíÿÿ å¼ òî÷êà ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé
òî÷êîé ôóíêöèîíàëà I ïî ïîñòðîåíèþ.
3.6
×èñëåííûå ïðèìåðû
Ïðèâåä¼ì ïðèìåðû çàäà÷ ïîñòðîåíèÿ ïðîãðàììíîãî óïðàâëåíèÿ, â êîòîðûõ ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ïðèâ¼ë ê òî÷êå ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà (3.5).
38
Ïðèìåð 3.6.1. Ðàññìîòðèì ñèñòåìó
ẋ1 = x2 ,
ẋ = u
2
ñ íà÷àëüíûì óñëîâèåì
x0 = [2, 1].
Òðåáóåòñÿ ïåðåâåñòè ñèñòåìó â íà÷àëî êîîðäèíàò, òî åñòü
xT = [0, 0].
Ïðè ýòîì íà óïðàâëåíèå íàêëàäûâàåòñÿ èíòåãðàëüíîå îãðàíè÷åíèå
Z T
u(t), u(t) dt 6 C.
0
Èçâåñòíî [34], ÷òî äàííàÿ ñèñòåìà ÿâëÿåòñÿ ïîëíîñòüþ óïðàâëÿåìîé, ïîýòîìó ñóùåñòâóåò òàêîå C ∗ > 0, ÷òî ∀ C > C ∗ ìèíèìóì ôóíêöèîíàëà (3.5), ðàâíûé íóëþ, äîñòèãàåòñÿ.
Êðîìå òîãî, ïîñêîëüêó ñèñòåìà ëèíåéíà, òî â ñèëó Ëåììû 3.3.1 ôóíêöèîíàë (3.5) ÿâëÿåòñÿ
âûïóêëûì, ïîýòîìó ëþáàÿ åãî ñòàöèîíàðíàÿ òî÷êà ÿâëÿåòñÿ òî÷êîé ìèíèìóìà.
Ïîëîæèì T = 1, C = 3.  äàííîé çàäà÷å èçâåñòíî àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå [34]. Äëÿ
çàäàííûõ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé îíî èìååò âèä
u∗ (t) = 30t − 16 + v2 (t),
Z t
∗
2
z1 (t) = 15t − 16t + 1 +
v2 (τ )dτ,
0
z2∗ (t)
= 30t − 16 + v2 (t),
ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ v(t) = [v1 (t), v2 (t)] óäîâëåòâîðÿåò ñëåäóþùåìó óñëîâèþ îðòîãîíàëüíîñòè
Z 1
− tv1 (t) + v2 (t) dt = 0.
0
 Òàáëèöå 3.6.1 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàáîòû ìåòîäà ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà (äëÿ
àíàëèòè÷åñêîãî ðåøåíèÿ çäåñü ïîëîæåíî v(t) = [0, 0]).  êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ
âçÿòà òî÷êà z(t) = [0, −1], à òîãäà x(t) = [2, 1 − t]. Èç Òàáëèöû 3.6.1 âèäíî, ÷òî íà 40-é
èòåðàöèè ïîãðåøíîñòü íå ïðåâûøàåò âåëè÷èíû 2 × 10−2 .
39
Òàáëèöà 3.6.1. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÑÑ
k
I(zk , uk ) ||u∗ − uk || ||z ∗ − zk || ||G(zk , uk )||
1
2.66666
8.7178
8.9629
1.16428
2
1.96998
8.6603
8.71276
0.20983
10
1.34425
6.23975
6.35764
0.27035
20
0.82772
4.60287
4.64919
0.27871
30
0.15326
2.1094
2.32091
0.1575
40
0.01951
0.63503
0.59202
0.05249
Ïðèìåð 3.6.2. Ðàññìîòðèì åù¼ îäèí ïðèìåð. Ïóñòü çàäàíà ñèñòåìà
ẋ1 = x2 x3 + u1 ,
ẋ2 = x3 x1 + u2 ,
ẋ3 = x1 x2 + u3 .
Òàêèå ñèñòåìû âîçíèêàþò èç äèíàìè÷åñêèõ óðàâíåíèé Ýéëåðà ïðè ìîäåëèðîâàíèè äâèæåíèÿ
ñïóòíèêà [44]. Ïðè ýòîì äâèæåíèå ñïóòíèêà îòíîñèòåëüíî åãî öåíòðà èíåðöèè ðàññìàòðèâàåòñÿ êàê âðàùåíèå òâ¼ðäîãî òåëà âîêðóã íåïîäâèæíîé òî÷êè. Óïðàâëåíèÿ u1 , u2 , u3 õàðàêòåðèçóþò âîçäåéñòâèå, êîòîðîå îêàçûâàþò íà ñïóòíèê óñòàíîâëåííûå íà í¼ì äâèãàòåëè. Â
íà÷àëüíûé ìîìåíò ñïóòíèê âðàùàåòñÿ ñ çàäàííîé óãëîâîé ñêîðîñòüþ
x(0) = x0 .
Òðåáóåòñÿ òàê óïðàâëÿòü äâèãàòåëÿìè, ÷òîáû çà ôèêñèðîâàííîå âðåìÿ T ïîãàñèòü óãëîâûå
ñêîðîñòè òåëà
xT = 0.
Ïðè ýòîì ðåñóðñû óïðàâëåíèÿ îãðàíè÷åíû
Z T
u(t), u(t) dt 6 C.
0
Ïîëîæèì x0 = [1, 0, 0], T = 1, C = 2.  äàííîé çàäà÷å òàêæå èçâåñòíî àíàëèòè÷åñêîå
ðåøåíèå [44]. Äëÿ çàäàííûõ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé îíî èìååò âèä
Z 1
u∗1 (t)dt = −1, u∗2 (t) = 0, u∗3 (t) = 0,
0
z1∗ (t) = u∗1 (t), z2∗ (t) = 0, z3∗ (t) = 0.
40
 Òàáëèöå 3.6.2 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàáîòû ìåòîäà ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà.  êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ âçÿòà òî÷êà u(t) = [ 21 , 12 , 12 ], z(t) = [0, 1, 1], à òîãäà
x(t) = [1, t, t]. Èç Òàáëèöû 3.6.2 âèäíî, ÷òî íà 6-é èòåðàöèè ïîãðåøíîñòü íå ïðåâûøàåò âåëè÷èíû 2 × 10−2 .
k
Ik
0
Òàáëèöà 3.6.2. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÑÑ
|u2k |
|u3k | |z1k − u1k |
|z2k |
0.5
0.5
1
||Gk ||
1
1.19563
1
3.475
1.5
2
1.3084
0.92529
0.53818 0.53818
0.46418
0.29504 0.29504 1.56704
3 0.65596
0.8052
0.51081 0.51081
0.67117
0.08815 0.08815 1.09889
4 0.45822
0.17146
0.31975 0.31975
0.65721
0.07178 0.07178
5 0.24556
0
0.19245 0.19245
0.6458
0.06178 0.06178 0.73868
0.0146
0
0.03525 0.03525
0.12328
0.03544 0.03544 0.12321
6
0.5
|z3k |
0.9434
Ïðèìåð 3.6.3. Ðàññìîòðèì åù¼ îäíó ñèñòåìó
ẋ1 = x2 ,
ẋ2 = − sin(x1 ) + u,
ẋ3 = u.
Òàêèå ñèñòåìû âîçíèêàþò â íåëèíåéíîì âàðèàíòå çàäà÷è îá óñïîêîåíèè ìàÿòíèêà [14]. Òðåáóåòñÿ ïåðåâåñòè ñèñòåìó èç çàäàííîãî íà÷àëüíîãî ïîëîæåíèÿ
x0 = [1, 0, 0]
â çàäàííîå êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå
xT = [0, 0, π].
Ïðè ýòîì íà óïðàâëåíèå íàêëàäûâàåòñÿ îãðàíè÷åíèå
Z T
u(t), u(t) dt 6 C.
0
Ïîëîæèì T = 2π , C = π .
 Òàáëèöå 3.6.3 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû âû÷èñëåíèé.  êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ âçÿòà òî÷êà u(t) = 21 , z(t) = [ 12 , 21 , 12 ], à òîãäà x(t) = [1 + 12 t, 12 t, 12 t]. Èç Òàáëèöû 3.6.3 âèäíî,
÷òî íà 10-é èòåðàöèè ïîãðåøíîñòü íå ïðåâûøàåò âåëè÷èíû 3 × 10−2 .
41
Òàáëèöà 3.6.3. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÑÑ
k
I(zk , uk ) ||G(zk , uk )||
1
15.04
6.4908
2
4.67627
5.31843
5
0.26627
0.8763
10
0.02361
0.0683
 ðàññìîòðåííûõ ïðèìåðàõ ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ïîêàçàë àíàëîãè÷íûå ðåçóëüòàòû.
42
Ãëàâà 4
Îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå
 äàííîì ðàçäåëå ðàññìàòðèâàåòñÿ çàäà÷à îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ñ èíòåãðàëüíûì
îãðàíè÷åíèåì íà óïðàâëåíèå è èíòåãðàëüíûì ôóíêöèîíàëîì êà÷åñòâà. Ñ ïîìîùüþ òåîðèè
òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé èñõîäíàÿ çàäà÷à ñâîäèòñÿ ê çàäà÷å áåçóñëîâíîé ìèíèìèçàöèè
íåêîòîðîãî íåãëàäêîãî ôóíêöèîíàëà. Äëÿ íåãî íàéäåíû íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà â
òåðìèíàõ ñóáäèôôåðåíöèàëà è ãèïîäèôôåðåíöèàëà. Âûäåëåí êëàññ çàäà÷, äëÿ êîòîðûõ ýòè
óñëîâèÿ îêàçûâàþòñÿ è äîñòàòî÷íûìè. Íà îñíîâàíèè äàííûõ óñëîâèé ê ðàññìàòðèâàåìîé
çàäà÷å ïðèìåíÿþòñÿ ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà è ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî
ñïóñêà. Ïðèâåäåíû ïðèìåðû ðåàëèçàöèè ïðèìåíÿåìûõ ìåòîäîâ.
4.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è
Ðàññìîòðèì ñèñòåìó îáûêíîâåííûõ äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé
ẋ(t) = f (x, u, t), t ∈ [0, T ].
(4.1)
Òðåáóåòñÿ ïîäîáðàòü òàêîå óïðàâëåíèå u∗ ∈ Pm [0, T ], óäîâëåòâîðÿþùåå ñëåäóþùåìó èíòåãðàëüíîìó îãðàíè÷åíèþ
Z
T
u(t), u(t) dt 6 1,
(4.2)
0
êîòîðîå ïåðåâîäèò ñèñòåìó (4.1) èç çàäàííîãî íà÷àëüíîãî ïîëîæåíèÿ
x(0) = x0
(4.3)
x(T ) = xT
(4.4)
â çàäàííîå êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå
è äîñòàâëÿåò ìèíèìóì ôóíêöèîíàëó
Z
I(x, u) =
T
f0 (x, ẋ, u, t)dt.
0
43
(4.5)
Ñ÷èòàåì, ÷òî îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå u∗ ñóùåñòâóåò.  ñèñòåìå (4.1) T > 0 çàäàííûé
ìîìåíò âðåìåíè, f (x, u, t) âåùåñòâåííàÿ n-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ, x n-ìåðíàÿ âåêòîðôóíêöèÿ ôàçîâûõ êîîðäèíàò, êîòîðóþ áóäåì ñ÷èòàòü íåïðåðûâíîé ñ êóñî÷íî-íåïðåðûâíîé
íà èíòåðâàëå [0, T ] ïðîèçâîäíîé, u(t) m-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ óïðàâëåíèé, êîòîðóþ ñ÷èòàåì êóñî÷íî-íåïðåðûâíîé íà ïðîìåæóòêå [0, T ]. Ïðåäïîëàãàåì f (x, u, t) íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìîé ïî x è u è íåïðåðûâíîé ïî âñåì òð¼ì àðãóìåíòàì.
Åñëè t0 ∈ [0, T ) òî÷êà ðàçðûâà âåêòîð-ôóíêöèè u, òî äëÿ îïðåäåë¼ííîñòè ïîëàãàåì
u(t0 ) = lim u(t).
(4.6)
u(T ) = lim u(t).
(4.7)
t↓t0
 òî÷êå T ñ÷èòàåì, ÷òî
t↑T
Ïðè ýòîì ẋ(t0 ) ïðàâîñòîðîííÿÿ ïðîèçâîäíàÿ âåêòîð-ôóíêöèè x â òî÷êå t0 , ẋ(T ) ëåâîñòîðîííÿÿ ïðîèçâîäíàÿ âåêòîð-ôóíêöèè x â òî÷êå T .
 ôóíêöèîíàëå (4.5) f0 (x, ẋ, u, t) âåùåñòâåííàÿ ñêàëÿðíàÿ ôóíêöèÿ, êîòîðóþ áóäåì
ñ÷èòàòü íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìîé ïî x, ẋ è u è íåïðåðûâíîé ïî âñåì ÷åòûð¼ì àðãóìåíòàì.
4.2
Ñâåäåíèå ê âàðèàöèîííîé çàäà÷å
Ïîëîæèì z(t) = ẋ(t), z ∈ Pn [0, T ]. Òîãäà ñ ó÷¼òîì (4.3) èìååì
Z t
x(t) = x0 +
z(τ )dτ.
0
Îòíîñèòåëüíî âåêòîð-ôóíêöèè z ñäåëàåì ïðåäïîëîæåíèå, àíàëîãè÷íîå (4.6)(4.7). Èìååì
Z t
f (x, u, t) = f (x0 +
z(τ )dτ, u, t),
0
t
Z
f0 (x, ẋ, u, t) = f (x0 +
z(τ )dτ, z, u, t).
0
Ââåä¼ì â ðàññìîòðåíèå ôóíêöèîíàë
n
X
Fλ (z, u) = I(z, u) + λ ϕ(z, u) +
ψi (z) + max{0,
s
Z
ϕ(z, u) =
T
u(t), u(t) dt − 1} ,
0
i=1
ãäå
Z
T
z(t) − f x, u, t , z(t) − f x, u, t dt,
0
, ψ i (z) = x0i +
Z
zi (t)dt − xT i , i = 1, n,
0
44
T
(4.8)
à x0i i-àÿ êîìïîíåíòà âåêòîðà x0 , xT i i-àÿ êîìïîíåíòà âåêòîðà xT , i = 1, n, λ > 0
íåêîòîðàÿ êîíñòàíòà.
Îáîçíà÷èì
Φ(z, u) = ϕ(z, u) +
n
X
Z
ψi (z) + max{0,
T
u(t), u(t) dt − 1}.
(4.9)
0
i=1
Íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî ôóíêöèîíàë (4.9) íåîòðèöàòåëåí äëÿ âñåõ z ∈ Pn [0, T ] è äëÿ âñåõ
u ∈ Pm [0, T ] è îáðàùàåòñÿ â íîëü â òî÷êå [z, u] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ] òîãäà è òîëüêî òîãäà,
êîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ u óäîâëåòâîðÿåò îãðàíè÷åíèþ (4.2), à âåêòîð-ôóíêöèÿ
Z t
x(t) = x0 +
z(τ )dτ
0
óäîâëåòâîðÿåò ñèñòåìå (4.1) ïðè u(t) = u(t) è îãðàíè÷åíèÿì (4.3)(4.4).
Ââåä¼ì ìíîæåñòâà
Ω = [z, u] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ]
Ωδ = [z, u] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ]
Φ(z, u) < δ ,
ãäå δ > 0 íåêîòîðîå ÷èñëî. Òîãäà
Ωδ \ Ω = [z, u] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ]
0 < Φ(z, u) < δ .
Èñïîëüçóÿ òó æå òåõíèêó, ÷òî è â [38], ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî èìååò ìåñòî ñëåäóþùàÿ
òåîðåìà.
Ïóñòü íàéä¼òñÿ òàêîå ïîëîæèòåëüíîå ÷èñëî λ0 < ∞, ÷òî ∀λ > λ0 ñóùåñòâóåò òî÷êà [z(λ), u(λ)] ∈ Pn[0, T ] × Pm[0, T ], äëÿ êîòîðîé Fλ z(λ), u(λ) = [z,u]
inf Fλ (z, u).
Ïóñòü òàêæå ôóíêöèîíàë I ÿâëÿåòñÿ ëèïøèöåâûì íà ìíîæåñòâå Ωδ \ Ω. Òîãäà ôóíêöèîíàë (4.8) áóäåò òî÷íîé øòðàôíîé ôóíêöèåé.
Òåîðåìà 4.2.1.
Òàêèì îáðàçîì, ïðè ñäåëàííûõ â Òåîðåìå 4.2.1 ïðåäïîëîæåíèÿõ ñóùåñòâóåò òàêîå ÷èñëî
0 < λ∗ < ∞, ÷òî ∀λ > λ∗ èñõîäíàÿ çàäà÷à ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà (4.5) íà ìíîæåñòâå
Ω ýêâèâàëåíòíà çàäà÷å ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà (4.8) íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå. Äàëåå áóäåì
ñ÷èòàòü, ÷òî â ôóíêöèîíàëå (4.8) ÷èñëî λ ôèêñèðîâàíî è âûïîëíåíî óñëîâèå λ > λ∗ .
4.3
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà
Ââåä¼ì ìíîæåñòâà
x0 +
Z
0
45
T
z(t)dt = xT ,
Ω3 = [z, u] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ]
ϕ(z, u) = 0 .
Íèæå íàì òàêæå ïîòðåáóþòñÿ èíäåêñíûå ìíîæåñòâà
I0 = {i = 1, n | ψ i (z) = 0},
I− = {i = 1, n | ψ i (z) < 0},
I+ = {i = 1, n | ψ i (z) > 0}
è ñëåäóþùèå ìíîæåñòâà óïðàâëåíèé
T
Z
u(t), u(t) dt − 1 = 0 ,
0
Z
T
u(t), u(t) dt − 1 < 0 ,
0
Z
T
u(t), u(t) dt − 1 > 0 .
0
Äàëåå èíîãäà áóäåì ïèñàòü f âìåñòî f (x, u, t) è f0 âìåñòî f0 (x, z, u, t). Èñïîëüçóÿ òó æå
òåõíèêó, ÷òî è â [38, 65] íåòðóäíî óáåäèòüñÿ â ñïðàâåäëèâîñòè ñëåäóþùèõ äâóõ òåîðåì.
Ïðè [z, u] ∈/ Ω3 ôóíêöèîíàë Fλ ñóáäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ñóáäèôôåðåíöèàë
â òî÷êå [z, u] âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Òåîðåìà 4.3.1.
∂Fλ (z, u) =
nh Z
T
t
Z T 0
n
X
X
∂f0
∂f
∂f0
dτ +
+ λ w(t) −
w(τ )dτ +
ωi ei +
µj ej ,
∂x
∂z
∂x
t
j=1
i∈I0
∂f 0
i
ωi ∈ [−1, 1], i ∈ I0 ,
∂u
∂u
µj = 0, j ∈ I0 , µj = 1, j ∈ I+ , µj = −1, j ∈ I− , (4.10)
ν ∈ [0, 1], u ∈ U0 , ν = 1, u ∈ U+ , ν = 0, u ∈ U− ,
z(t) − f (x, u, t) o
w(t) =
.
ϕ(z, u)
Ïðè [z, u] ∈ Ω3 ôóíêöèîíàë Fλ ñóáäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ñóáäèôôåðåíöèàë
â òî÷êå [z, u] âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Òåîðåìà 4.3.2.
Z T 0
n
X
X
∂f0
∂f0
∂f
∂Fλ (z, u) =
dτ +
+ λ v(t) −
v(τ )dτ +
ωi ei +
µj ej ,
∂x
∂z
∂x
t
t
j=1
i∈I0
Z
∂f0
∂f 0
+λ −
v(t) + 2νu(t)
v ∈ Pn [0, T ], ||v||2 =
v(t), v(t) dt 6 1 ,
∂u
∂u
0
nh Z
T
ãäå ωi ∈ [−1, 1], i ∈ I0, µj , j = 1, n, ν îïðåäåëåíû â (4.10).
46
(4.11)
Åñëè [z, u] ∈ Ω3, z ∈ Ω1, u ∈ Ω2, òî ôóíêöèîíàë Fλ ñóáäèôôåðåíöèðóåì,
è åãî ñóáäèôôåðåíöèàë â òî÷êå [z, u] âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Ñëåäñòâèå 4.3.1.
Z T 0
X
∂f
∂f0
∂f0
dτ +
+ λ v(t) −
∂Fλ (z, u) =
v(τ )dτ +
ωi ei ,
∂x
∂z
∂x
t
t
i∈I0
ωi ∈ [−1, 1], i = 1, n,
∂u
∂u
Z T
o
2
v(t), v(t) dt 6 1 .
ν ∈ [0, 1], u ∈ U0 , ν = 0, u ∈ U− , v ∈ Pn [0, T ], ||v|| =
nh Z
T
(4.12)
0
Åñëè ñèñòåìà (4.1) ëèíåéíà ïî ôàçîâûì ïåðåìåííûì x è ïî óïðàâëåíèþ u, à
ôóíêöèîíàë I âûïóêëûé, òî ôóíêöèîíàë Fλ ÿâëÿåòñÿ âûïóêëûì.
Ëåììà 4.3.1.
Äîêàçàòåëüñòâî. Ïðåäñòàâèì ôóíêöèîíàë (4.8) â âèäå
Fλ (z, u) = I(z, u) + λϕ(z, u) + λF1 (z) + λF2 (u),
ãäå I(z, u), F1 (z), F2 (u) ñîîòâåòñòâóþùèå ñëàãàåìûå èç ïðàâîé ÷àñòè (4.8). Ôóíêöèîíàëû
F1 è F2 âûïóêëû êàê ìàêñèìóìû âûïóêëûõ ôóíêöèîíàëîâ [24]. Ôóíêöèîíàë I âûïóêëûé ïî
óñëîâèþ. Ïîêàæåì âûïóêëîñòü ôóíêöèîíàëà ϕ â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè ñèñòåìû (4.1).
Ïóñòü ñèñòåìà (4.1) èìååò âèä
ẋ = A(t)x + B(t)u + c(t),
ãäå A(t) n × n-ìàòðèöà, B(t) n × m-ìàòðèöà, c(t) n-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ. Ñ÷èòàåì A(t), B(t), c(t) âåùåñòâåííûìè è íåïðåðûâíûìè íà [0, T ]. Ïóñòü z1 , z2 ∈ Pn [0, T ],
u1 , u2 ∈ Pm [0, T ], α ∈ (0, 1). Îáîçíà÷èì ϕ(z, u, t) = z(t) − f (x, u, t). Èìååì
ϕ2 α(z1 , u1 ) + (1 − α)(z2 , u2 ) =
αz1 (t) + (1 − α)z2 (t) −
Z t
2
−A(t) x0 +
αz1 (τ ) + (1 − α)z2 (τ ) dτ − B(t) αu1 (t) + (1 − α)u2 (t) − c(t)
= αϕ(z1 , u1 ) + (1 − α)ϕ(z2 , u2 ) = α
ϕ(z1 , u1 , t), ϕ(z1 , u1 , t) dt + (4.13)
0
Z T
Z T
2
+2α(1 − α)
ϕ(z1 , u1 , t), ϕ(z2 , u2 , t) dt + (1 − α)
ϕ(z2 , u2 , t), ϕ(z2 , u2 , t) dt,
0
0
Z T
2
2
αϕ(z1 , u1 ) + (1 − α)ϕ(z2 , u2 ) = α
ϕ(z1 , u1 , t), ϕ(z1 , u1 , t) dt +
0
s
Z T
Z T
+2α(1 − α)
ϕ(z1 , u1 , t), ϕ(z1 , u1 , t) dt
ϕ(z2 , u2 , t), ϕ(z2 , u2 , t) dt +
0
0
+(1 − α)
2
Z
0
47
T
ϕ(z2 , u2 , t), ϕ(z2 , u2 , t) dt.
(4.14)
 ñèëó íåðàâåíñòâà üëüäåðà äëÿ âñåõ z1 , z2 , u1 , u2 áóäåò
Z T
ϕ(z1 , u1 , t), ϕ(z2 , u2 , t) dt 6
0
s
Z
s
Z
ϕ(z1 , u1 , t), ϕ(z1 , u1 , t) dt
T
6
0
T
ϕ(z2 , u2 , t), ϕ(z2 , u2 , t) dt,
0
ïîýòîìó èç (4.13) è (4.14) ïîëó÷àåì, ÷òî
2
ϕ2 α(z1 , u1 ) + (1 − α)(z2 , u2 ) 6 αϕ(z1 , u1 ) + (1 − α)ϕ(z2 , u2 ) .
(4.15)
Òàê êàê ϕ α(z1 , u1 ) + (1 − α)(z2 , u2 ) > 0, αϕ(z1 , u1 ) + (1 − α)ϕ(z2 , u2 ) > 0, òî èç íåðàâåíñòâà
(4.15) ∀ z1 , z2 , u1 , u2 è α ∈ (0, 1) ñëåäóåò
ϕ α(z1 , u1 ) + (1 − α)(z2 , u2 ) 6 αϕ(z1 , u1 ) + (1 − α)ϕ(z2 , u2 ),
÷òî è äîêàçûâàåò âûïóêëîñòü ôóíêöèîíàëà ϕ â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè èñõîäíîé ñèñòåìû.
Òåïåðü îñòà¼òñÿ çàìåòèòü, ÷òî ôóíêöèîíàë Fλ ÿâëÿåòñÿ âûïóêëûì (â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè èñõîäíîé ñèñòåìû) êàê ñóììà âûïóêëûõ ôóíêöèîíàëîâ [24].
Ëåììà äîêàçàíà.
Èçâåñòíî [23], ÷òî íåîáõîäèìûì, à â ñëó÷àå âûïóêëîñòè è äîñòàòî÷íûì óñëîâèåì ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà (4.8) â òî÷êå [z ∗ , u∗ ] â òåðìèíàõ ñóáäèôôåðåíöèàëà ÿâëÿåòñÿ óñëîâèå
0n+m ∈ ∂Fλ (z ∗ , u∗ ),
ãäå 0n+m íóëåâîé ýëåìåíò ïðîñòðàíñòâà Pn [0, T ] × Pm [0, T ]. Îòñþäà ñ ó÷¼òîì Ëåììû 4.3.1
çàêëþ÷àåì, ÷òî ñïðàâåäëèâà
Äëÿ òîãî ÷òîáû óïðàâëåíèå u∗ ∈ Ω2 ïåðåâîäèëî ñèñòåìó (4.1) èç íà÷àëüíîãî ïîëîæåíèÿ (4.3) â êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå (4.4) è äîñòàâëÿëî ìèíèìóì ôóíêöèîíàëó (4.5),
íåîáõîäèìî, à â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè ñèñòåìû (4.1) è âûïóêëîñòè ôóíêöèîíàëà (4.5) è äîñòàòî÷íî, ÷òîáû
Òåîðåìà 4.3.3.
0n+m ∈ ∂Fλ (z ∗ , u∗ ),
(4.16)
ãäå âûðàæåíèå äëÿ ñóáäèôôåðåíöèàëà ∂Fλ(z, u) âûïèñàíî â (4.12).
4.4
Ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà
Íàéä¼ì ìèíèìàëüíûé ïî íîðìå ñóáãðàäèåíò h = h(t, z, u) ∈ ∂Fλ (z, u) â òî÷êå [z, u], òî
åñòü ðåøèì çàäà÷ó
min
h∈∂Fλ (z,u)
||h||2 .
48
Çàôèêñèðóåì òî÷êó [z, u] è ðàññìîòðèì äâà ñëó÷àÿ.
À. Ïóñòü ϕ(z, u) > 0.  ýòîì ñëó÷àå
Z
hZ T
X
2
2
min ||h|| = min
s1 (t) + λ
ωi ei dt +
ωi , i∈I0 , ν
h∈∂Fλ (z,u)
0
T
2 i
s2 (t) + 2λνu(t) dt ,
(4.17)
0
i∈I0
ãäå
s1 (t) = s1 (t) + λ
n
X
µj ej ,
j=1
Z
s1 (t) =
t
T
Z T 0
∂f
∂f0
∂f0
dτ +
+ λ w(t) −
w(τ )dτ ,
∂x
∂z
∂x
t
0
∂f0
∂f
s2 (t) =
−λ
w(t),
∂u
∂u
à âåëè÷èíû ωi , i ∈ I0 , µj , j = 1, n, ν è âåêòîð-ôóíêöèÿ w(t) îïðåäåëåíû â (4.10).
Çàäà÷à (4.17) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäà÷ó êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ïðè íàëè÷èè ëèíåéíûõ îãðàíè÷åíèé è ìîæåò áûòü ðåøåíà îäíèì èç èçâåñòíûõ ìåòîäîâ [17]. Îáîçíà÷èì ωi∗ , i ∈ I0 , ν ∗ å¼ ðåøåíèå. Òîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ
∗
h
G(t, z, u) := h = s1 (t) + λ
X
ωi∗ ei , s2 (t)
i
+ 2λν u(t)
∗
(4.18)
i∈I0
ÿâëÿåòñÿ íàèìåíüøèì ïî íîðìå ñóáãðàäèåíòîì ôóíêöèîíàëà Fλ â òî÷êå [z, u] â äàííîì ñëó÷àå
(ïðè ϕ(z, u) > 0). Åñëè ||G(z, u)|| > 0, òî âåêòîð-ôóíêöèÿ −G(t, z, u)/||G(z, u)|| ÿâëÿåòñÿ
íàïðàâëåíèåì ñóáãðàäèåíòíîãî ñïóñêà ôóíêöèîíàëà Fλ â òî÷êå [z, u].
Á. Ïóñòü ϕ(z, u) = 0.  ýòîì ñëó÷àå
min
h∈∂Fλ (z,u)
2
hZ
T
nZ
T
∂f0
∂f0
dτ +
+
ωi , i∈I0 , ν, v
∂x
∂z
0
t
Z T 0
n
X
X
o2
∂f
+λ v(t) −
v(τ )dτ +
ωi ei +
µj e j
dt +
∂x
t
j=1
i∈I0
Z Tn
o2 i
∂f0
∂f 0
+λ −
v(t) + 2νu(t) dt ,
+
∂u
∂u
0
||h|| := min ||h1 ||2 + ||h2 ||2 =
min
(4.19)
ãäå h1 = h1 (t, z, u), h2 = h2 (t, z, u), à âåëè÷èíû ωi , i ∈ I0 , µj , j = 1, n, ν è âåêòîð-ôóíêöèÿ v(t)
îïðåäåëåíû â (4.11).
Ñîñòàâèì ôóíêöèîíàë
X
max{0, ωi2 − 1} ,
Hµ (v, ω, ν) = ||h||2 + µ max{0, ||v||2 − 1} + max{0, ν 2 − 1} +
i∈I0
ãäå ν = 2ν − 1, à âåêòîð ω ∈ R|I0 | ñîñòîèò èç êîìïîíåíò ωi , i ∈ I0 .
Îáîçíà÷èì
X
Ψ(v, ω, ν) = µ max{0, ||v||2 − 1} + max{0, ν 2 − 1} +
max{0, ωi2 − 1} .
i∈I0
49
(4.20)
Ω = [v, ω, ν] ∈ Pn [0, T ] × R|I0 | × R
Ωδ = [v, ω, ν] ∈ Pn [0, T ] × R|I0 | × R
Ωδ \ Ω = [v, ω, ν] ∈ Pn [0, T ] × R|I0 | × R
0 < Ψ(v, ω, ν) < δ .
Òàêæå ââåä¼ì ñëåäóþùèå ìíîæåñòâà
T
Z
v(t), v(t) dt − 1 = 0 ,
0
T
Z
v(t), v(t) dt − 1 < 0 ,
0
T
Z
v(t), v(t) dt − 1 > 0 ,
0
N0 = ν ∈ R | ν 2 − 1 = 0 ,
N− = ν ∈ R | ν 2 − 1 < 0 ,
N+ = ν ∈ R | ν 2 − 1 > 0 ,
Wi0 = ωi ∈ R | ωi2 − 1 = 0 ,
Wi− = ωi ∈ R | ωi2 − 1 < 0 ,
Wi+ = ωi ∈ R | ωi2 − 1 > 0 ,
ãäå i ∈ I0 .
Ïóñòü íàéä¼òñÿ òàêîå ïîëîæèòåëüíîå ÷èñëî µ0 < ∞, ÷òî ∀µ > µ0 ñóùåñòâóåò òî÷êà [v(µ), ω(µ), ν(µ)] ∈ Pn[0, T ] × R|I | × R, äëÿ êîòîðîé Hµ v(µ), ω(µ), ν(µ) =
= inf Hµ (v, ω, ν). Ïóñòü òàêæå ôóíêöèîíàë h(v, ω, ν) ÿâëÿåòñÿ ëèïøèöåâûì íà ìíîæå[v,ω,ν]
ñòâå Ωδ \ Ω. Òîãäà ôóíêöèîíàë (4.20) áóäåò òî÷íîé øòðàôíîé ôóíêöèåé.
Ëåììà 4.4.1.
0
Òàêèì îáðàçîì, ïðè ñäåëàííûõ â Ëåììå 4.4.1 ïðåäïîëîæåíèÿõ ñóùåñòâóåò òàêîå ÷èñëî
0 < µ∗ < ∞, ÷òî ∀µ > µ∗ çàäà÷à (4.19) ýêâèâàëåíòíà çàäà÷å ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà (4.20)
íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå. Äàëåå áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî â ôóíêöèîíàëå (4.20) ÷èñëî µ ôèêñèðîâàíî
è âûïîëíåíî óñëîâèå µ > µ∗ .
50
Ôóíêöèîíàë (4.20) ñóáäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ñóáäèôôåðåíöèàë â òî÷êå
[v, ω, ν] âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Ëåììà 4.4.2.
n
hv + 2µξv(t), hω1 + 2µζ1 ω1 , . . . , hω|I0 | + 2µζ|I0 | ω|I0 | ,
ξ ∈ [0, 1], v ∈ V0 , ξ = 1, v ∈ V+ , ξ = 0, v ∈ V− ,
∂Hµ (v, ω, ν) =
(4.21)
ζ0 ∈ [0, 1], ν ∈ N0 , ζ0 = 1, ν ∈ N+ , ζ0 = 0, ν ∈ N− ,
o
ζi ∈ [0, 1], ωi ∈ Wi0 , ζi = 1, ωi ∈ Wi+ , ζi = 0, ωi ∈ Wi− , i ∈ I0 .
Âû÷èñëèì ñëåäóþùèå âåêòîð-ôóíêöèè, âõîäÿùèå â ôîðìóëó (4.21).
hv = h1v + h2v ,
ãäå
h1v
Z
h
= 2λ λv(t) − λ
t
Z
+
t
T
T
∂f 0
∂f
v(τ )dτ − λ
∂x
∂x
t
Z
0
∂f
v(τ )dτ + λ
∂x
n
∂f
X
∂f0
∂f X
∂f0
dτ +
+λ E−t
ωi ei +
µj e j −
∂x
∂z
∂x
∂x
j=1
i∈I
Z tZ
0
T
0
∂x
τ
Z tnZ
0
∂f 0
τ
T
v(ξ)dξdτ +
∂f0 o i
∂f0
dξ +
dτ ,
∂x
∂z
∂f 0
∂f ∂f0
+λ −
v(t) + νu(t) + u(t) ,
∂u ∂u
∂u
Z Tn
0 o
q(t) + λωi ei ei dt, i ∈ I0 ,
= 2λ
h2v = −2λ
hωi
0
ãäå
Z
T
q(t) =
t
∂f0
∂f0
dτ +
+ λ v(t) −
∂x
∂z
Z
hν = 2λ
T
n
Z
T
∂f 0
∂x
t
v(τ )dτ +
X
k∈I0 /{i}
ωk ek +
n
X
µj e j ,
j=1
o
0
r(t) + λνu(t) u(t) dt,
0
ãäå
r(t) =
∂f 0
∂f0
+λ −
v(t) + u(t) .
∂u
∂u
Åñëè ||v||2 6 1, |ωi| 6 1, i ∈ I0, |ν| 6 1, òî ôóíêöèîíàë (4.20) ñóáäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ñóáäèôôåðåíöèàë â òî÷êå [v, ω, ν] âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Ñëåäñòâèå 4.4.1.
∂Hµ (v, ω, ν) =
n
hv + 2µξv(t), hω1 + 2µζ1 ω1 , . . . , hω|I0 | + 2µζ|I0 | ω|I0 | ,
ξ ∈ [0, 1], v ∈ V0 , ξ = 0, v ∈ V− , (4.22)
o
ζ0 ∈ [0, 1], ν ∈ N0 , ζ0 = 0, ν ∈ N− , ζi ∈ [0, 1], ωi ∈ Wi0 , ζi = 0, ωi ∈ Wi− , i ∈ I0 .
Çàìå÷àíèå 4.4.1. Ñóáäèôôåðåíöèàë ∂Fλ(z, u) ÿâëÿåòñÿ âûïóêëûì êîìïàêòíûì ìíîæåñòâîì,
ïîýòîìó íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà Hµ (v, ω, ν) áóäåò è äîñòàòî÷íûì [24].
51
Äëÿ òîãî ÷òîáû òî÷êà [v∗, ω∗, ν ∗] ∈ Pn[0, T ] × R|I | × R äîñòàâëÿëà ìèíèìóì
ôóíêöèîíàëó (4.20) íåîáõîäèìî è äîñòàòî÷íî, ÷òîáû
Ëåììà 4.4.3.
0
(4.23)
0n+|I0 |+1 ∈ ∂Hµ (v ∗ , ω ∗ , ν ∗ ),
ãäå 0n+|I |+1 íóëåâîé ýëåìåíò ïðîñòðàíñòâà Pn[0, T ] × R|I | × R, à âûðàæåíèå äëÿ ñóáäèôôåðåíöèàëà ∂Hµ(v, ω, ν) âûïèñàíî â (4.22).
0
0
Íàéä¼ì ìèíèìàëüíûé ïî íîðìå ñóáãðàäèåíò h = h(t, v, ω, ν) ∈ ∂Hµ (v, ω, ν) â òî÷êå
[v, ω, ν], òî åñòü ðåøèì çàäà÷ó
min
ξ, ζ0 , ζi ,
T
2
||h|| =
min
hv + 2µξv(t) dt +
i∈I0
ξ, ζ0 , ζi , i∈I0
0
X
2 i
2
,
+
hωi + 2µζi ωi + hν + 2µζ0 ν
hZ
2
(4.24)
i∈I0
ãäå âåëè÷èíû ξ , ζ0 , ζi , i ∈ I0 , îïðåäåëåíû â (4.21).
Çàäà÷à (4.24) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäà÷ó êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ïðè íàëè÷èè ëèíåéíûõ îãðàíè÷åíèé è ìîæåò áûòü ðåøåíà îäíèì èç èçâåñòíûõ ìåòîäîâ [17]. Îáîçíà÷èì ξ ∗ , ζ0∗ , ζi∗ , i ∈ I0 , å¼ ðåøåíèå. Òîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ
∗
G(t, v, ω, ν) := h = hv + 2µξ ∗ v(t), hω1 + 2µζ1∗ ω1 , . . . ,
hω|I0 | + 2µζ|I∗ 0 | ω|I0 | , hν + 2µζ0∗ ν
ÿâëÿåòñÿ íàèìåíüøèì ïî íîðìå ñóáãðàäèåíòîì ôóíêöèîíàëà Hµ â òî÷êå [v, ω, ν]. Åñëè
||G(ω, ν)|| > 0, òî âåêòîð-ôóíêöèÿ −G(t, v, ω, ν)/||G(ω, ν)|| ÿâëÿåòñÿ íàïðàâëåíèåì ñóáãðàäèåíòíîãî ñïóñêà ôóíêöèîíàëà Hµ â òî÷êå [v, ω, ν].
Îïèøåì ñëåäóþùèé ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà äëÿ ïîèñêà òî÷åê ìèíèìóìà
ôóíêöèîíàëà Hµ (v, ω, ν). Ôèêñèðóåì ïðîèçâîëüíóþ òî÷êó [v1 , ω1 , ν 1 ] ∈ Pn [0, T ] × R|I0 | × R.
Ïóñòü óæå ïîñòðîåíà òî÷êà [vk , ωk , ν k ] ∈ Pn [0, T ]×R|I0 | ×R. Åñëè âûïîëíåíî óñëîâèå ìèíèìóìà
(4.23), òî òî÷êà [vk , ωk , ν k ] ÿâëÿåòñÿ òî÷êîé ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà Hµ (v, ω, ν), è ïðîöåññ
ïðåêðàùàåòñÿ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïîëîæèì
[vk+1 , ωk+1 , ν k+1 ] = [vk , ωk , ν k ] − αk Gk ,
ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ Gk = G(t, vk , ωk , ν k ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íàèìåíüøèé ïî íîðìå ñóáãðàäèåíò ôóíêöèîíàëà Hµ â òî÷êå [vk , ωk , ν k ], à âåëè÷èíà αk ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñëåäóþùåé çàäà÷è
îäíîìåðíîé ìèíèìèçàöèè
min Hµ ([vk , ωk , ν k ] − αGk ) = Hµ ([vk , ωk , ν k ] − αk Gk ).
α>0
52
(4.25)
Òîãäà
Hµ (vk+1 , ωk+1 , ν k+1 ) 6 Hµ (vk , ωk , ν k ).
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[vk , ωk , ν k ]} êîíå÷íà, òî ïîñëåäíÿÿ å¼ òî÷êà ÿâëÿåòñÿ òî÷êîé ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà Hµ (v, ω, ν) ïî ïîñòðîåíèþ. Åñëè æå ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[vk , ωk , ν k ]}
áåñêîíå÷íà, òî îïèñàííûé ïðîöåññ ìîæåò è íå ïðèâåñòè ê òî÷êå ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà
Hµ (v, ω, ν), ïîñêîëüêó ñóáäèôôåðåíöèàëüíîå îòîáðàæåíèå ∂Hµ (v, ω, ν) íå ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíûì â ìåòðèêå Õàóñäîðôà [24].
Îáîçíà÷èì v ∗ , ω ∗ , ν ∗ ðåøåíèå çàäà÷è (4.19). Òîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ
h Z T ∂f
∂f0
0
∗
G(t, z, u) := h =
dτ +
+
∂x
∂z
t
Z T 0
n
X
X
∗
∂f
∗
∗
µj ej ,
λ v (t) −
v (τ )dτ +
ωi ei +
∂x
t
j=1
i∈I0
∂f 0 ∗
i
∂f0
+λ −
v (t) + 2ν ∗ u(t)
∂u
∂u
(4.26)
ÿâëÿåòñÿ íàèìåíüøèì ïî íîðìå ñóáãðàäèåíòîì ôóíêöèîíàëà Fλ â òî÷êå [z, u] â äàííîì ñëó÷àå
(ïðè ϕ(z, u) = 0). Åñëè ||G(z, u)|| > 0, òî âåêòîð-ôóíêöèÿ −G(t, z, u)/||G(z, u)|| ÿâëÿåòñÿ
íàïðàâëåíèåì ñóáãðàäèåíòíîãî ñïóñêà ôóíêöèîíàëà Fλ â òî÷êå [z, u].
Òàêèì îáðàçîì, â ïóíêòàõ À è Á ðåøàëàñü çàäà÷à ïîèñêà íàïðàâëåíèÿ ñóáãðàäèåíòíîãî
ñïóñêà ôóíêöèîíàëà Fλ â òî÷êå [z, u].  ñëó÷àå ϕ(z, u) > 0 (ïóíêò À) äàííàÿ çàäà÷à ðåøàåòñÿ
ñðàâíèòåëüíî ïðîñòî, òàê êàê ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäà÷ó êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ
ïðè íàëè÷èè ëèíåéíûõ îãðàíè÷åíèé.  ñëó÷àå ϕ(z, u) = 0 (ïóíêò Á) ïîìèìî íåèçâåñòíûõ
âåëè÷èí ω , ν òðåáóåòñÿ òàêæå íàéòè âåêòîð-ôóíêöèþ v(t). Ýòî áîëåå ñëîæíàÿ çàäà÷à, ðåøàòü
êîòîðóþ ìîæíî ÷èñëåííûìè ìåòîäàìè, íàïðèìåð, ìåòîäîì ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà,
êàê ýòî îïèñàíî â ïóíêòå Á.
Çàìå÷àíèå 4.4.2. Îòìåòèì, ÷òî â ñèëó ñòðóêòóðû ôóíêöèîíàëà Hµ çàäà÷à (4.25) ïîèñêà øàãà
ñïóñêà ðåøàåòñÿ àíàëèòè÷åñêè. Êðîìå òîãî, çàäà÷à (4.24) íàõîæäåíèÿ íàïðàâëåíèÿ ñïóñêà ñ
ïîìîùüþ ìåòîäîâ êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ìîæåò áûòü ðåøåíà çà êîíå÷íîå ÷èñëî
èòåðàöèé.
Èòàê, òåïåðü ìîæíî îïèñàòü ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà äëÿ ïîèñêà ñòàöèîíàðíûõ òî÷åê ôóíêöèîíàëà Fλ . Ôèêñèðóåì ïðîèçâîëüíóþ òî÷êó [z1 , u1 ] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ].
Ïóñòü óæå ïîñòðîåíà òî÷êà [zk , uk ] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ]. Åñëè âûïîëíåíî óñëîâèå ìèíèìóìà (4.16), òî òî÷êà [zk , uk ] ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé ôóíêöèîíàëà Fλ (z, u), è ïðîöåññ
ïðåêðàùàåòñÿ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïîëîæèì
[zk+1 , uk+1 ] = [zk , uk ] − αk Gk ,
53
ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ Gk = G(t, zk , uk ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé íàèìåíüøèé ïî íîðìå ñóáãðàäèåíò
ôóíêöèîíàëà Fλ â òî÷êå [zk , uk ]. Çíà÷åíèå äëÿ ôóíêöèîíàëà Gk áåð¼òñÿ ëèáî èç ôîðìóëû
(4.18) ïðè ϕ(z, u) > 0, ëèáî èç ôîðìóëû (4.26) ïðè ϕ(z, u) = 0. Âåëè÷èíà αk ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñëåäóþùåé çàäà÷è îäíîìåðíîé ìèíèìèçàöèè
min Fλ ([zk , uk ] − αGk ) = Fλ ([zk , uk ] − αk Gk ).
α>0
Òîãäà
Fλ (zk+1 , uk+1 ) 6 Fλ (zk , uk ).
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[zk , uk ]} êîíå÷íà, òî ïîñëåäíÿÿ å¼ òî÷êà ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé
òî÷êîé ôóíêöèîíàëà Fλ ïî ïîñòðîåíèþ. Åñëè æå ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[zk , uk ]} áåñêîíå÷íà,
òî îïèñàííûé ïðîöåññ ìîæåò è íå ïðèâåñòè ê ñòàöèîíàðíîé òî÷êå ôóíêöèîíàëà Fλ , ïîñêîëüêó
ñóáäèôôåðåíöèàëüíîå îòîáðàæåíèå ∂Fλ (z, u) ðàçðûâíî â ìåòðèêå Õàóñäîðôà [24].
4.5
Ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà
Êàê óæå îòìå÷àëîñü, îïèñàííûé â ïðåäûäóùåì ðàçäåëå ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî
ñïóñêà ìîæåò íå ïðèâåñòè ê ñòàöèîíàðíîé òî÷êå ôóíêöèîíàëà Fλ â ñèëó ðàçðûâíîñòè ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî îòîáðàæåíèÿ ∂Fλ (z, u). ×òîáû ãàðàíòèðîâàòü ñõîäèìîñòü â íåêîòîðîì
ñìûñëå ðàññìàòðèâàåìîãî ÷èñëåííîãî ìåòîäà, ïåðåéä¼ì ê ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîìó îòîáðàæåíèþ dFλ (z, u).
Ïîëüçóÿñü ôîðìóëàìè êîäèôôåðåíöèàëüíîãî èñ÷èñëåíèÿ [25], ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî
èìåþò ìåñòî ñëåäóþùèå äâå òåîðåìû.
Ïðè [z, u] ∈/ Ω3 ôóíêöèîíàë Fλ(z, u) ãèïîäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ãèïîäèôôåðåíöèàë â òî÷êå [z, u] âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Òåîðåìà 4.5.1.
dFλ (z, u) = 0, s1 (t), s2 (t) +
+λ
n
X
co ψ i (z) − ψi (z), ei , 0m , − ψ i (z) − ψi (z), −ei , 0m +
i=1
+λco
Z
T
u(t), u(t) dt − 1 − max{0, ||u||2 − 1}, 0n , 2u(t) , − max{0, ||u||2 − 1}, 0n , 0m ,
0
ãäå âåêòîð-ôóíêöèè s1(t) è s2(t) îïðåäåëåíû â çàäà÷å (4.17).
54
Ïðè [z, u] ∈ Ω3 ôóíêöèîíàë Fλ ãèïîäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ãèïîäèôôåðåíöèàë â òî÷êå [z, u] âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Òåîðåìà 4.5.2.
Z
0
T ∂f0
∂f0
dτ +
+
z(t) − f (z, u, t) v(t)dt − ϕ(z, u) ,
∂x
∂z
0
t
Z T 0
∂f 0
i
∂f0
∂f
+λ v(t) −
−λ
v(τ )dτ ,
v(t) +
∂x
∂u
∂u
t
n
X
+λ
co ψ i (z) − ψi (z), ei , 0m , − ψ i (z) − ψi (z), −ei , 0m +
T
nh Z
dFλ (z, u) = λ
(4.27)
i=1
Z
T
u(t), u(t) dt − 1 − max{0, ||u||2 − 1}, 0n , 2u(t) ,
0
o
2
− max{0, ||u|| − 1}, 0n , 0m
v ∈ Pn [0, T ], ||v|| 6 1 .
+λco
Èçâåñòíî [25], ÷òî íåîáõîäèìûì, à â ñëó÷àå âûïóêëîñòè è äîñòàòî÷íûì óñëîâèåì ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà (4.8) â òî÷êå [z ∗ , u∗ ] â òåðìèíàõ ãèïîäèôôåðåíöèàëà ÿâëÿåòñÿ óñëîâèå
0n+m+1 ∈ dFλ (z ∗ , u∗ ),
ãäå 0n+m+1 íóëåâîé ýëåìåíò ïðîñòðàíñòâà Pn [0, T ] × Pm [0, T ] × R. Îòñþäà ñ ó÷¼òîì Ëåììû 4.3.1 çàêëþ÷àåì, ÷òî ñïðàâåäëèâà
Äëÿ òîãî ÷òîáû óïðàâëåíèå u∗ ∈ Ω2 ïåðåâîäèëî ñèñòåìó (4.1) èç íà÷àëüíîãî ïîëîæåíèÿ (4.3) â êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå (4.4) è äîñòàâëÿëî ìèíèìóì ôóíêöèîíàëó (4.5),
íåîáõîäèìî, à â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè ñèñòåìû (4.1) è âûïóêëîñòè ôóíêöèîíàëà (4.5) è äîñòàòî÷íî, ÷òîáû
Òåîðåìà 4.5.3.
(4.28)
0n+m+1 ∈ dFλ (z ∗ , u∗ ),
ãäå âûðàæåíèå äëÿ ãèïîäèôôåðåíöèàëà dFλ(z, u) âûïèñàíî â (4.27).
Íàéä¼ì ìèíèìàëüíûé ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíò g = g(t, z, u) ∈ dFλ (z, u) â òî÷êå [z, u], òî
åñòü ðåøèì çàäà÷ó
min
g∈dFλ (z,u)
||g||2 .
Çàôèêñèðóåì òî÷êó [z, u] è ðàññìîòðèì äâà ñëó÷àÿ.
À. Ïóñòü ϕ(z, u) > 0.  ýòîì ñëó÷àå
min
||g||2 =
g∈dFλ (z,u)
+λ
n
X
min
βi ∈[0,1], i=1,n+1
0, s1 (t), s2 (t) +
βi ψ i (z) − ψi (z), ei , 0m + (1 − βi ) − ψ i (z) − ψi (z), −ei , 0m +
i=1
+λβn+1
Z
0
T
u(t), u(t) dt − 1 − max{0, ||u||2 − 1}, 0n , 2u(t) +
2
+λ(1 − βn+1 ) − max{0, ||u||2 − 1}, 0n , 0m
Çàäà÷à (4.29) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäà÷ó êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ïðè íàëè÷èè ëèíåéíûõ îãðàíè÷åíèé è ìîæåò áûòü ðåøåíà îäíèì èç èçâåñòíûõ ìåòîäîâ [17]. Îáîçíà÷èì βi∗ , i = 1, n + 1, å¼ ðåøåíèå. Ïóñòü g = [g1 , g2 ], ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ g2 ñîñòîèò èç
ïîñëåäíèõ n + m êîìïîíåíò g . Òîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ
G(t, z, u) :=
g2∗
n
X
∗
= s1 (t), s2 (t) + λ
βi ei , 0m + (1 − βi∗ ) − ei , 0m +
i=1
∗
∗
+λβn+1
0n , 2u(t) + λ(1 − βn+1
) 0n , 0m
(4.30)
ñîñòîèò èç ïîñëåäíèõ n + m êîìïîíåíò íàèìåíüøåãî ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíòà ôóíêöèîíàëà
Fλ â òî÷êå [z, u] â äàííîì ñëó÷àå (ïðè ϕ(z, u) > 0). Åñëè ||G(z, u)|| > 0, òî âåêòîð-ôóíêöèÿ
−G(t, z, u)/||G(z, u)|| ÿâëÿåòñÿ íàïðàâëåíèåì ãèïîãðàäèåíòíîãî ñïóñêà ôóíêöèîíàëà Fλ â
òî÷êå [z, u].
Á. Ïóñòü ϕ(z, u) = 0.  ýòîì ñëó÷àå
2
||g|| =
min
g∈dFλ (z,u)
Z
T
min
βi ∈[0,1], i=1,n+1, v
n
X
T
0
z(t) − f (z, u, t) v(t)dt − ϕ(z, u) ,
0
∂f0
∂f0
dτ +
+ λ v(t) −
∂x
∂z
t
+λ
λ
Z
T
t
∂f 0
∂f 0
i
∂f0
−λ
v(τ )dτ ,
v(t) +
∂x
∂u
∂u
βi ψ i (z) − ψi (z), ei , 0m + (1 − βi ) − ψ i (z) − ψi (z), −ei , 0m +
i=1
+λβn+1
Z
T
u(t), u(t) dt − 1 − max{0, ||u||2 − 1}, 0n , 2u(t) +
0
2
2
+λ(1 − βn+1 ) − max{0, ||u|| − 1}, 0n , 0m
z(t) − f (z, u, t) v(t)dt − ϕ(z, u) ,
min
λ
=
βi ∈[0,1], i=1,n+1, v
Z
T
t
0
∂f0
∂f0
dτ +
+ λ v(t) −
∂x
∂z
+λ
n
X
Z
t
T
∂f 0
∂f 0
i
∂f0
−λ
v(τ )dτ ,
v(t) +
∂x
∂u
∂u
βi 2ψ i (z), 2ei , 0m + − ψ i (z) − ψi (z), −ei , 0m +
i=1
+λβn+1
Z
T
0
2
u(t), u(t) dt − 1, 0n , 2u(t) + λ − max{0, ||u||2 − 1}, 0n , 0m
.
Ýòî âûðàæåíèå ìîæíî ïåðåïèñàòü òàê
min
g∈dFλ (z,u)
min
β i ∈[−1,1], i=1,n+1, v
hn Z
λ
T
||g||2 := min ||g1 ||2 + ||g2 ||2 + ||g3 ||2 =
n
X
0
z(t) − f (z, u, t) v(t)dt − ϕ(z, u) + λ
ψ i (z) β i + 1 −
0
i=1
56
−λ
n
X
i=1
Z T
o2
λ
2
ψ i (z) + ψi (z) +
u(t), u(t) dt − 1 β n+1 + 1 − λ max{0, ||u|| − 1} +
2 0
Z T nZ T
Z T 0
n
X
o2
∂f0
∂f
∂f0
+
dτ +
+ λ v(t) −
β i ei
v(τ )dτ +
dt+
∂x
∂z
∂x
0
t
t
i=1
Z Tn
o
2 i
∂f 0
∂f0
−λ
v(t) + λβ n+1 u(t) + λu(t) dt ,
+
(4.31)
∂u
∂u
0
ãäå g1 = g1 (t, z, u), g2 = g2 (t, z, u), g3 = g3 (t, z, u), β i = 2βi − 1, i = 1, n + 1, à âåêòîð-ôóíêöèÿ
v(t) îïðåäåëåíà â (4.27).
Ïóñòü âåêòîð β ∈ Rn+1 ñîñòîèò èç êîìïîíåíò β i , i = 1, n + 1. Ñîñòàâèì ôóíêöèîíàë
n+1
X
2
H µ (v, β) = ||g||2 + µ max{0, ||v||2 − 1} +
max{0, β i − 1} .
(4.32)
i=1
Îáîçíà÷èì
2
Ψ(v, β) = µ max{0, ||v|| − 1} +
n+1
X
2
max{0, β i − 1} .
i=1
Ââåä¼ì ìíîæåñòâà
Ω = [v, β] ∈ Pn [0, T ] × Rn+1
Ωδ = [v, β] ∈ Pn [0, T ] × Rn+1
Ωδ \ Ω = [v, β] ∈ Pn [0, T ] × Rn+1
0 < Ψ(v, β) < δ .
Òàêæå ââåä¼ì ñëåäóþùèå ìíîæåñòâà
β i − 1 > 0 ,
ãäå i ∈ 1, n + 1.
Ïóñòü íàéä¼òñÿ òàêîå ïîëîæèòåëüíîå ÷èñëî µ0 < ∞, ÷òî ∀µ > µ0 ñóinf Hµ (v, β).
ùåñòâóåò òî÷êà [v(µ), β(µ)] ∈ Pn[0, T ] × Rn+1, äëÿ êîòîðîé Hµ v(µ), β(µ) = [v,β]
Ïóñòü òàêæå ôóíêöèîíàë g(v, β) ÿâëÿåòñÿ ëèïøèöåâûì íà ìíîæåñòâå Ωδ \Ω. Òîãäà ôóíêöèîíàë (4.32) áóäåò òî÷íîé øòðàôíîé ôóíêöèåé.
Ëåììà 4.5.1.
57
Òàêèì îáðàçîì, ïðè ñäåëàííûõ â Ëåììå 4.5.1 ïðåäïîëîæåíèÿõ ñóùåñòâóåò òàêîå ÷èñëî
0 < µ∗ < ∞, ÷òî ∀µ > µ∗ çàäà÷à (4.31) ýêâèâàëåíòíà çàäà÷å ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà (4.32)
íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå. Äàëåå áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî â ôóíêöèîíàëå (4.32) ÷èñëî µ ôèêñèðîâàíî
è âûïîëíåíî óñëîâèå µ > µ∗ .
Ôóíêöèîíàë (4.32) ãèïîäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ãèïîäèôôåðåíöèàë â òî÷êå
[v, β] âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Ëåììà 4.5.2.
dH µ (v, β) = 0, gv , gβ 1 , . . . , gβ n+1 +
h
+µ co ||v||2 − 1 − max{0, ||v||2 − 1}, 2v(t), 0n+1 , − max{0, ||v||2 − 1}, 0n , 0n+1 +
2
2
2
+co β 1 − 1 − max{0, β 1 − 1}, 0n , 2β 1 , 0n , − max{0, β 1 − 1}, 0n+2 + · · · + (4.33)
2
i
2
2
+co β n+1 − 1 − max{0, β n+1 − 1}, 0n , 0n , 2β n+1 , − max{0, β n+1 − 1}, 0n , 0n+1
.
Âû÷èñëèì ñëåäóþùèå âåêòîð-ôóíêöèè, âõîäÿùèå â ôîðìóëó (4.33).
gv = g1v + g2v + g3v ,
ãäå
2
g1v = 2λ
T
nZ
0
z(t) − f (z, u, t) v(t)dt − ϕ(z, u) +
0
1
+
−ψ i (z)−ψi (z) +
2
i=1
Z
n
g2v = 2λ λv(t) − λ
+
t
T
β i ψ i (z) +
i=1
n
X
Z
n
X
Z
T
n
X
ψ i (z)+
i=1
o
u(t), u(t) dt−1 (β n+1 +1)−max{0, ||u||2 −1} z(t)−f (z, u, t) ,
0
T
Z
Z Z
∂f t T ∂f 0
∂f t
v(τ )dτ + λ
v(τ )dτ − λ
v(ξ)dξdτ +
∂x
∂x 0
∂x 0 τ
∂x
t
Z Z
n
n
o
X
∂f0
∂f0
∂f t T ∂f0
∂f0
∂f X
dτ +
+λ
β i ei −
dξ +
dτ − λt
β ei ,
∂x
∂z
∂x 0
∂x
∂z
∂x i=1 i
τ
i=1
g3v
∂f 0
∂f 0
∂f ∂f0
= −2λ
+λ −
v(t) + β n+1 u(t) + u(t) ,
∂u ∂u
∂u
gβ i = g1β i + g2β i , i = 1, n,
ãäå
g1β i = 2λ
+
n
X
2
nZ
n
n
X
X
0
z(t) − f (z, u, t) v(t)dt − ϕ(z, u) +
β i ψ i (z) +
ψ i (z)+
T
0
i=1
− ψ i (z) − ψi (z) +
i=1
Z
g2β i = 2λ
0
T
nZ
t
T
Z
1h
2
T
i=1
i
o
2
u(t), u(t) dt − 1 (β n+1 + 1) − max{0, ||u|| − 1} ψ i (z),
0
∂f0
∂f0
dτ +
+ λ v(t) −
∂x
∂z
58
Z
t
T
∂f 0
∂x
v(τ )dτ + λ
n
X
i=1
o0
β i ei ei dt,
Z
gβ n+1 = 2λ
Çàìå÷àíèå
.
T
0
0
∂f 0
+λ −
v(t) + β n+1 u(t) + u(t) u(t)dt.
∂u
∂u
∂f
0
4.5.1 Ãèïîäèôôåðåíöèàë dFλ (z, u) ÿâëÿåòñÿ âûïóêëûì êîìïàêòíûì ìíîæå-
ñòâîì, ïîýòîìó íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà H µ (v, β) è äîñòàòî÷íî [24].
Äëÿ òîãî ÷òîáû òî÷êà [v∗, β ∗] ∈ Pn[0, T ] × Rn+1 äîñòàâëÿëà ìèíèìóì ôóíêöèîíàëó (4.32) íåîáõîäèìî è äîñòàòî÷íî, ÷òîáû
Ëåììà 4.5.3.
∗
0n+n+2 ∈ dH µ (v ∗ , β ),
(4.34)
ãäå âûðàæåíèå äëÿ ãèïîäèôôåðåíöèàëà dH µ(v, β) âûïèñàíî â (4.33).
Íàéä¼ì ìèíèìàëüíûé ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíò g = g(t, v, β) ∈ dH µ (v, β) â òî÷êå [v, β],
òî åñòü ðåøèì çàäà÷ó
||g||2 =
min
g∈dH µ (v,β)
min
γi ∈[0,1], i=1,n+2
0, gv , gβ 1 , . . . , gβ n+1 +
h
+µ γ1 ||v||2 − 1 − max{0, ||v||2 − 1}, 2v(t), 0n+1 + (1 − γ1 ) − max{0, ||v||2 − 1}, 0n , 0n+1 +
2
2
2
+γ2 β 1 − 1 − max{0, β 1 − 1}, 0n , 2β 1 , 0n + (1 − γ2 ) − max{0, β 1 − 1}, 0n , 0n+1 + · · · + (4.35)
2
i
2
2
2
+γn+2 β n+1 − 1 − max{0, β n+1 − 1}, 0n , 0n , 2β n+1 + (1 − γn+2 ) − max{0, β n+1 − 1}, 0n , 0n+1
.
Çàäà÷à (4.35) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäà÷ó êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ïðè íàëè÷èè ëèíåéíûõ îãðàíè÷åíèé è ìîæåò áûòü ðåøåíà îäíèì èç èçâåñòíûõ ìåòîäîâ [17]. Îáîçíà÷èì γi∗ , i = 1, n + 2, å¼ ðåøåíèå. Ïóñòü g = [g 1 , g 2 ], ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ g 2 ñîñòîèò èç
ïîñëåäíèõ n + n + 1 êîìïîíåíò g . Òîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ
G(t, v, β) := g ∗2 = gv , gβ 1 , . . . , gβ n+1 +
h
+µ γ1∗ 2v(t), 0n+1 + (1 − γ1∗ ) 0n , 0n+1 + γ2∗ 0n , 2β 1 , 0n + (1 − γ2∗ ) 0n , 0n+1 + · · · +
i
∗
∗
+γn+2
0n , 0n , 2β n+1 + (1 − γn+2
) 0n , 0n+1
ñîñòîèò èç ïîñëåäíèõ n+n+1 êîìïîíåíò íàèìåíüøåãî ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíòà ôóíêöèîíàëà
H µ â òî÷êå [v, β]. Åñëè ||G(v, β)|| > 0, òî âåêòîð-ôóíêöèÿ −G(t, v, β)/||G(v, β)|| ÿâëÿåòñÿ
íàïðàâëåíèåì ãèïîãðàäèåíòíîãî ñïóñêà ôóíêöèîíàëà H µ â òî÷êå [v, β].
Îïèøåì ñëåäóþùèé ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà äëÿ ïîèñêà òî÷åê ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà H µ (v, β). Ôèêñèðóåì ïðîèçâîëüíóþ òî÷êó [v1 , β 1 ] ∈ Pn [0, T ] × Rn+1 . Ïóñòü
óæå ïîñòðîåíà òî÷êà [vk , β k ] ∈ Pn [0, T ] × Rn+1 . Åñëè âûïîëíåíî óñëîâèå ìèíèìóìà (4.34), òî
59
òî÷êà [vk , β k ] ÿâëÿåòñÿ òî÷êîé ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà H µ (v, β), è ïðîöåññ ïðåêðàùàåòñÿ. Â
ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïîëîæèì
[vk+1 , β k+1 ] = [vk , β k ] − αk Gk ,
ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ Gk = G(t, vk , β k ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âåêòîð-ôóíêöèþ, ñîñòîÿùóþ èç
ïîñëåäíèõ n + n + 1 êîìïîíåíò íàèìåíüøåãî ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíòà ôóíêöèîíàëà H µ â
òî÷êå [vk , β k ], à âåëè÷èíà αk ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñëåäóþùåé çàäà÷è îäíîìåðíîé ìèíèìèçàöèè
min H µ ([vk , β k ] − αGk ) = H µ ([vk , β k ] − αk Gk ).
α>0
(4.36)
Òîãäà
H µ (vk+1 , β k+1 ) 6 H µ (vk , β k ).
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[vk , β k ]} áåñêîíå÷íà, òî ïðè íåêîòîðûõ äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ñõîäèòñÿ â ñëåäóþùåì
ñìûñëå
s
Z
||g(vk , β k )|| =
T
g(t, vk , β k ), g(t, vk , β k ) dt → 0 ïðè k → ∞.
0
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[vk , β k ]} êîíå÷íà, òî ïîñëåäíÿÿ å¼ òî÷êà ÿâëÿåòñÿ òî÷êîé ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà H µ (v, β) ïî ïîñòðîåíèþ.
Îáîçíà÷èì v ∗ , β ∗ ðåøåíèå çàäà÷è (4.31). Ïóñòü g = [g1 , g2 ], ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ g2
ñîñòîèò èç ïîñëåäíèõ n + m êîìïîíåíò g . Òîãäà âåêòîð-ôóíêöèÿ
Z T 0
h Z T ∂f
∗
∂f0
∂f
0
∗
G(t, z, u) := g2 =
dτ +
+ λ v (t) −
v ∗ (τ )dτ ,
∂x
∂z
∂x
t
t
n
i
X
∂f0
∂f 0 ∗
−λ
v (t) + λ
βi∗ ei , 0m + (1 − βi∗ ) − ei , 0m +
∂u
∂u
i=1
∗
∗
+λβn+1
0n , 2u(t) + λ(1 − βn+1
) 0n , 0m
(4.37)
ñîñòîèò èç ïîñëåäíèõ n + m êîìïîíåíò íàèìåíüøåãî ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíòà ôóíêöèîíàëà
Fλ â òî÷êå [z, u] â äàííîì ñëó÷àå (ïðè ϕ(z, u) = 0). Åñëè ||G(z, u)|| > 0, òî âåêòîð-ôóíêöèÿ
−G(t, z, u)/||G(z, u)|| ÿâëÿåòñÿ íàïðàâëåíèåì ãèïîãðàäèåíòíîãî ñïóñêà ôóíêöèîíàëà Fλ â
òî÷êå [z, u].
Òàêèì îáðàçîì, â ïóíêòàõ À è Á ðåøàëàñü çàäà÷à ïîèñêà íàïðàâëåíèÿ ãèïîãðàäèåíòíîãî ñïóñêà ôóíêöèîíàëà Fλ â òî÷êå [z, u].  ñëó÷àå ϕ(z, u) > 0 (ïóíêò À) äàííàÿ çàäà÷à
ðåøàåòñÿ ñðàâíèòåëüíî ïðîñòî, òàê êàê ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé çàäà÷ó êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ïðè íàëè÷èè ëèíåéíûõ îãðàíè÷åíèé.  ñëó÷àå ϕ(z, u) = 0 (ïóíêò Á) ïîìèìî
íåèçâåñòíûõ âåëè÷èí βi , i = 1, n + 1, òðåáóåòñÿ òàêæå íàéòè âåêòîð-ôóíêöèþ v(t). Ýòî áîëåå
60
ñëîæíàÿ çàäà÷à, ðåøàòü êîòîðóþ ìîæíî ÷èñëåííûìè ìåòîäàìè, íàïðèìåð, ìåòîäîì ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà, êàê ýòî îïèñàíî â ïóíêòå Á.
Çàìå÷àíèå 4.5.2. Îòìåòèì, ÷òî â ñèëó ñòðóêòóðû ôóíêöèîíàëà H µ çàäà÷à (4.36) ïîèñêà øàãà
ñïóñêà ðåøàåòñÿ àíàëèòè÷åñêè. Êðîìå òîãî, çàäà÷à (4.35) íàõîæäåíèÿ íàïðàâëåíèÿ ñïóñêà ñ
ïîìîùüþ ìåòîäîâ êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ ìîæåò áûòü ðåøåíà çà êîíå÷íîå ÷èñëî
èòåðàöèé.
Èòàê, òåïåðü ìîæíî îïèñàòü ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà äëÿ ïîèñêà ñòàöèîíàðíûõ òî÷åê ôóíêöèîíàëà Fλ . Ôèêñèðóåì ïðîèçâîëüíóþ òî÷êó [z1 , u1 ] ∈ Pn [0, T ]×Pm [0, T ].
Ïóñòü óæå ïîñòðîåíà òî÷êà [zk , uk ] ∈ Pn [0, T ] × Pm [0, T ]. Åñëè âûïîëíåíî óñëîâèå ìèíèìóìà
(4.16) èëè (4.28), òî òî÷êà [zk , uk ] ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé ôóíêöèîíàëà Fλ , è ïðîöåññ
ïðåêðàùàåòñÿ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïîëîæèì
[zk+1 , uk+1 ] = [zk , uk ] − αk Gk ,
ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ Gk = G(t, zk , uk ) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âåêòîð-ôóíêöèþ, ñîñòîÿùóþ èç
ïîñëåäíèõ n + m êîìïîíåíò íàèìåíüøåãî ïî íîðìå ãèïîãðàäèåíòà ôóíêöèîíàëà Fλ â òî÷êå
[zk , uk ]. Çíà÷åíèå äëÿ ôóíêöèîíàëà Gk áåð¼òñÿ ëèáî èç ôîðìóëû (4.30) ïðè ϕ(zk , uk ) > 0,
ëèáî èç ôîðìóëû (4.37) ïðè ϕ(zk , uk ) = 0. Âåëè÷èíà αk ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñëåäóþùåé çàäà÷è
îäíîìåðíîé ìèíèìèçàöèè
min Fλ ([zk , uk ] − αGk ) = Fλ ([zk , uk ] − αk Gk ).
α>0
Òîãäà
Fλ (zk+1 , uk+1 ) 6 Fλ (zk , uk ).
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[zk , uk ]} áåñêîíå÷íà, òî ïðè íåêîòîðûõ äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ñõîäèòñÿ â ñëåäóþùåì
ñìûñëå
s
Z
||g(zk , uk )|| =
T
g(t, zk , uk ), g(t, zk , uk ) dt → 0 ïðè k → ∞.
0
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {[zk , uk ]} êîíå÷íà, òî ïîñëåäíÿÿ å¼ òî÷êà ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé
òî÷êîé ôóíêöèîíàëà Fλ ïî ïîñòðîåíèþ.
4.6
×èñëåííûå ïðèìåðû
Ïðèâåä¼ì ïðèìåðû çàäà÷ ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ, â êîòîðûõ ìåòîä ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ïðèâ¼ë ê òî÷êå ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà (4.8).
61
Ïðèìåð 4.6.1. Ðàññìîòðèì ñèñòåìó
ẋ1 = x2 ,
ẋ2 = u1 ,
ẋ3 = x4 ,
ẋ = u − 9.8
4
2
ñ ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè
x(0) = [−1, 0, 0, 0], x(1) = [0, 0, 0, 0].
Ïðè ýòîì òðåáóåòñÿ ìèíèìèçèðîâàòü ôóíêöèîíàë
Z 1
u21 (t) + u22 (t) dt.
I=
0
 äàííîé çàäà÷å èçâåñòíî [42] àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå, êîòîðîå èìååò ñëåäóþùèé âèä
u∗1 (t) = −12t + 6,
u∗2 (t) = 9.8,
z1∗ (t) = −6t2 + 6t,
z2∗ (t) = −12t + 6,
z3∗ (t) = 0,
z4∗ (t) = 0,
I(z ∗ , u∗ ) = 108.04.
 Òàáëèöå 4.6.1 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàáîòû ìåòîäà ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà.  êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ âçÿòà òî÷êà u = [0, 1], z(t) = [1, 0, 0, 0], à òîãäà
x(t) = [−1 + t, 0, 0, 0]. Èç Òàáëèöû 4.6.1 âèäíî, ÷òî íà 30-é èòåðàöèè ïîãðåøíîñòü íå ïðåâûøàåò âåëè÷èíû 3 × 10−3 .
Òàáëèöà 4.6.1. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÑÑ
k
I(zk , uk ) Φ(zk , uk ) ||u∗ − uk || ||z ∗ − zk || ||G(zk , uk )||
1
1.06044
3.47062
3.21367
197.96324
2
0.94422
3.20293
3.22259
707.22868
10
0.34105
1.15682
1.38112
848.13142
20
0.20739
0.72749
0.69893
256.2921
0.05774
0.02886
0.425
30 108.0425
62
Ïðèìåð 4.6.2. Ðàññìîòðèì åù¼ îäèí ïðèìåð. Ïóñòü çàäàíà ñëåäóþùàÿ ñèñòåìà
ẋ1 = x2 + u1 ,
ẋ = u
2
2
ñ ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè
x(0) = [2, 0.5], x(1) = [x1 (1), 0]
è îãðàíè÷åíèåì íà óïðàâëåíèå
Z
1
u21 (t) + u22 (t) dt 6 1.
0
Ïðè ýòîì òðåáóåòñÿ ìèíèìèçèðîâàòü ôóíêöèîíàë
Z 1
I=
z1 (t) dt.
0
 äàííîé çàäà÷å òàêæå èçâåñòíî [32] àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå, êîòîðîå èìååò âèä
r
9
∗
u1 (t) = −
,
13
r
r
1
1
9
9
u∗2 (t) =
t−
− ,
13
2 13 2
r
r
r
1 9 2 1
9
1
9
∗
z1 (t) =
t − (
+ 1)t + −
,
2 13
2
13
2
13
r
r
1 9
1
9
∗
z2 (t) =
t−
− ,
13
2 13 2
√
1
I(z ∗ , u∗ ) = (1 − 13).
4
 Òàáëèöå 4.6.2 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàáîòû ìåòîäà ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà.
 êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ âçÿòà òî÷êà u = [0, 0], z(t) = [0, 0], à òîãäà x(t) = [2, 0.5].
Èç Òàáëèöû 4.6.2 âèäíî, ÷òî íà 7-é èòåðàöèè ïîãðåøíîñòü íå ïðåâûøàåò âåëè÷èíû 5 × 10−3 .
Òàáëèöà 4.6.2. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÑÑ
k
I(zk , uk )
Φ(zk , uk ) ||u∗ − uk || ||z ∗ − zk || ||G(zk , uk )||
1
1.0
1.00004
0.86826
188.77058
2
0.51873
0.91483
0.90879
76.71471
5
0.00243
0.79148
0.85081
112.2858
6 −0.61768
0.23167
0.23273
0.70711
−0.6464
0.08873
0.1132
0.21357
7
63
Ïðèìåð 4.6.3. Ðàññìîòðèì îäèí íåëèíåéíûé ïðèìåð. Ïóñòü çàäàíà ñëåäóþùàÿ ñèñòåìà
ẋ1 = u,
ẋ = x2
2
1
ñ ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè
x(0) = [0.25, 0], x(1) = [0.25, x2 (1)]
è îãðàíè÷åíèåì íà óïðàâëåíèå
Z
1
u21 (t) + u22 (t) dt 6 1.
0
Ïðè ýòîì òðåáóåòñÿ ìèíèìèçèðîâàòü ôóíêöèîíàë
Z 1
z2 (t) dt.
I=
0
Äàííûé ïðèìåð ðàññìîòðåí â ðàáîòå [104] ïðè áîëåå æ¼ñòêîì îãðàíè÷åíèè íà óïðàâëåíèå |u(t)| 6 1, t ∈ [0, 1], ãäå òàêæå ïðèâåäåíî îïòèìàëüíîå çíà÷åíèå ôóíêöèîíàëà
I(z ∗ , u∗ ) =
1
.
96
 Òàáëèöå 4.6.3 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàáîòû ìåòîäà ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà.
 êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ âçÿòà òî÷êà
u = 10t − 5,
z(t) = [10t − 5, (0.25 + 5t2 − 5t)2 ],
à òîãäà
x(t) = [0.25 + 5t2 − 5t, 5t5 − 12.5t4 + 9.1(6)t3 − 1.25t2 + 0.0625t].
Èç Òàáëèöû 4.6.3 âèäíî, ÷òî íà 8-é èòåðàöèè ìåòîä ïðèâ¼ë ê çíà÷åíèþ, îòëè÷àþùåìóñÿ îò
÷èñëà I(z ∗ , u∗ ) íå áîëåå, ÷åì íà âåëè÷èíó 5 × 10−3 , îäíàêî â ñèëó ðàññìàòðèâàåìîãî ìåíåå
æ¼ñòêîãî îãðàíè÷åíèÿ íà óïðàâëåíèå è íåëèíåéíîñòè ñèñòåìû íåëüçÿ ãàðàíòèðîâàòü, ÷òî
äàííîå çíà÷åíèå ÿâëÿåòñÿ ãëîáàëüíûì ìèíèìóìîì â ýòîé çàäà÷å.
Òàáëèöà 4.6.3. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÑÑ
k I(zk , uk ) Φ(zk , uk ) ||G(zk , uk )||
1
8.3333
486.44
2
0.43953
102.93801
5
0.10272
130.33683
7
0.00025
99.303
8
0.01579
0.1127
64
Ïðèìåð 4.6.4.  çàêëþ÷åíèå ðàññìîòðèì åù¼ îäèí íåëèíåéíûé ïðèìåð. Äàíà ñèñòåìà
ẋ1 = cos(x3 ),
ẋ2 = sin(x3 ),
ẋ3 = u,
çàäàíû ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ
x(0) = [0, 0, 0], x(1) = [3.85, 2.85, x3 (1)]
è îãðàíè÷åíèå íà óïðàâëåíèå
Z
5.1228
u2 (t) dt 6 1.2807.
0
Ïðè ýòîì òðåáóåòñÿ ìèíèìèçèðîâàòü ôóíêöèîíàë
Z 5.1228
I=
z3 (t) dt.
0
 Òàáëèöå 4.6.4 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàáîòû ìåòîäà ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà.  êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ âçÿòà òî÷êà u = 0.5, z(t) = [0.5, 0.5, 0.5], à òîãäà
x(t) = [0.5t, 0.5t, 0.5t]. Àíàëîãè÷íî ïðåäûäóùåìó ïðèìåðó â ñèëó íåëèíåéíîñòè ñèñòåìû íåëüçÿ ãàðàíòèðîâàòü, ÷òî ïîëó÷åííîå íà ïîñëåäíåé ïðîâåä¼ííîé èòåðàöèè çíà÷åíèå ôóíêöèîíàëà ÿâëÿåòñÿ ãëîáàëüíûì ìèíèìóìîì â ýòîé çàäà÷å.
Òàáëèöà 4.6.4. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÑÑ
k
I(zk , uk )
Φ(zk , uk ) ||G(zk , uk )||
1
328.4571
373.594
2
232.7861
350.5031
10
27.879
81.23427
15
7.18531
48.2351
20
−0.06627
25
50.3464
0.42832
22.2662
30 −0.157194
0.21303
−0.19294
0.0573
35
 ðàññìîòðåííûõ ïðèìåðàõ ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ïîêàçàë àíàëîãè÷íûå ðåçóëüòàòû.
65
Ãëàâà 5
Äèôôåðåíöèàëüíûå âêëþ÷åíèÿ
 ýòîì ðàçäåëå ðàññìàòðèâàåòñÿ äèôôåðåíöèàëüíîå âêëþ÷åíèå ñ çàäàííûìè ìíîãîçíà÷íûì îòîáðàæåíèåì è íà÷àëüíîé òî÷êîé. Äëÿ ýòîãî äèôôåðåíöèàëüíîãî âêëþ÷åíèÿ òðåáóåòñÿ íàéòè ðåøåíèå, äîñòàâëÿþùåå ìèíèìóì èíòåãðàëüíîìó ôóíêöèîíàëó. Ñ ïîìîùüþ
àïïàðàòà îïîðíûõ ôóíêöèé è àïïàðàòà òî÷íûõ øòðàôíûõ ôóíêöèé â ñëó÷àå íåïðåðûâíîé
äèôôåðåíöèðóåìîñòè îïîðíîé ôóíêöèè ìíîãîçíà÷íîãî îòîáðàæåíèÿ ïî ôàçîâûì ïåðåìåííûì ïîëó÷åíû íåêîòîðûå êëàññè÷åñêèå ðåçóëüòàòû ïðèíöèïà ìàêñèìóìà äëÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ âêëþ÷åíèé.
5.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è
Ðàññìîòðèì äèôôåðåíöèàëüíîå âêëþ÷åíèå
ẋ ∈ F (x, t)
(5.1)
x(0) = x0 .
(5.2)
ñ çàäàííûì íà÷àëüíûì óñëîâèåì
 ôîðìóëå (5.1) F (x, t) çàäàííîå íåïðåðûâíîå ìíîãîçíà÷íîå îòîáðàæåíèå ïðè t ∈ [0, T ], x
n-ìåðíàÿ íåïðåðûâíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ ôàçîâûõ êîîðäèíàò ñ êóñî÷íî-íåïðåðûâíîé íà [0, T ]
ïðîèçâîäíîé, T > 0 çàäàííûé ìîìåíò âðåìåíè. Áóäåì ïîëàãàòü, ÷òî êàæäîìó ìîìåíòó
âðåìåíè t ∈ [0, T ] è êàæäîé ôàçîâîé òî÷êå x ∈ Rn ôóíêöèÿ F (x, t) ñòàâèò â ñîîòâåòñòâèå
íåêîòîðûé âûïóêëûé êîìïàêò èç Rn .
Òðåáóåòñÿ íàéòè òàêóþ âåêòîð-ôóíêöèþ x∗ ∈ Cn [0, T ], ÿâëÿþùóþñÿ ðåøåíèåì âêëþ÷åíèÿ (5.1) è óäîâëåòâîðÿþùóþ íà÷àëüíîìó óñëîâèþ (5.2), êîòîðàÿ äîñòàâëÿåò ìèíèìóì
ôóíêöèîíàëó
T
Z
I(x) =
f0 (x, t)dt,
0
66
(5.3)
ãäå f0 çàäàííàÿ âåùåñòâåííàÿ ñêàëÿðíàÿ ôóíêöèÿ, íåïðåðûâíàÿ ïî îáîèì àðãóìåíòàì è
íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìàÿ ïî x.
5.2
Ýêâèâàëåíòíàÿ ïîñòàíîâêà çàäà÷è
Äàëåå äëÿ êðàòêîñòè áóäåì èíîãäà ïèñàòü F âìåñòî F (x, t). Ïîñêîëüêó ∀t ∈ [0, T ]
è ∀x ∈ Rn ìíîãîçíà÷íîå îòîáðàæåíèå F (x, t) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé âûïóêëîå çàìêíóòîå è
îãðàíè÷åííîå ìíîæåñòâî, âêëþ÷åíèå (5.1) ìîæíî ïåðåïèñàòü èíà÷å [11]
(ẋ, ψ) 6 c(F, ψ) ∀ψ ∈ S, ∀t ∈ [0, T ].
Îáîçíà÷èì z(t) = ẋ(t), z ∈ Pn [0, T ], òîãäà ñ ó÷¼òîì (5.2) áóäåò
Z t
z(τ )dτ.
x(t) = x0 +
0
Ââåä¼ì ôóíêöèè
l(ψ, z, t) = (z, ψ) − c(F, ψ),
(5.4)
h(z, t) = max max{0, l(ψ, z, t)}
(5.5)
ψ∈S
è ñîñòàâèì ôóíêöèîíàë
s
Z
T
h2 (z, t)dt.
ϕ(z) =
(5.6)
0
Ââåä¼ì ìíîæåñòâî
Ω = {z ∈ Pn [0, T ] | ϕ(z) = 0}.
Íåòðóäíî óáåäèòüñÿ, ÷òî äëÿ ôóíêöèîíàëà (5.6) ñïðàâåäëèâû ñîîòíîøåíèÿ
ϕ(z) = 0 (z ∈ Ω), eñëè (ẋ, ψ) 6 c(F, ψ) ∀ψ ∈ S, ∀t ∈ [0, T ],
ϕ(z) > 0 (z ∈
/ Ω), â ïðîòèâíîì ñëó÷àå.
Çàïèøåì ôóíêöèîíàë
Φλ (z) = I(z) + λϕ(z),
â êîòîðîì
Z
I(z) = I(x0 +
(5.7)
t
z(τ )dτ ),
0
λ äîñòàòî÷íî áîëüøîå ïîëîæèòåëüíîå ÷èñëî. Íèæå áóäåò ïîêàçàíî, ÷òî ïðè íåêîòîðûõ äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ çàäà÷ó ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà (5.3) ïðè íàëè÷èè îãðàíè÷åíèé (5.1), (5.2) ìîæíî ñâåñòè ê áåçóñëîâíîé ìèíèìèçàöèè ôóíêöèîíàëà (5.7).
67
5.3
Äèôôåðåíöèàëüíûå ñâîéñòâà ôóíêöèîíàëîâ
ϕ
è
I
Äàëåå ñ÷èòàåì, ÷òî îïîðíàÿ ôóíêöèÿ c(F, ψ) ìíîãîçíà÷íîãî îòîáðàæåíèÿ F (x, t) íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìà ïî ôàçîâîé ïåðåìåííîé x. Òîãäà äëÿ ëþáûõ x, y ∈ Cn [0, T ] è ëþáîãî
t ∈ [0, T ] áóäåò
c F (x + αy, t), ψ − c F (x, t), ψ =
∂c(F, ψ)
o(α, t)
=α
, y + o(α, t),
→ 0 ïðè α ↓ 0.
∂x
α
(5.8)
Ïóñòü v ∈ Pn [0, T ]. Ïîëîæèì
zα (t) = z(t) + αv(t),
Z t
v(τ )dτ.
y(t) =
0
Ðàññìîòðèì ôóíêöèîíàë ϕ ïîäðîáíåå.
Âû÷èñëèì
l(ψ, zα , t) = l(ψ, z, t) + αH1 (ψ, z, v, t) + o(α, t),
ãäå
H1 (ψ, z, v, t) = (ψ, v(t)) −
Z
0
t
o(α, t)
→ 0 ïðè α ↓ 0,
α
∂c(F, ψ)
v(τ )dτ,
.
∂x
Çäåñü èñïîëüçîâàíû ñâîéñòâî àääèòèâíîñòè îïîðíîé ôóíêöèè ïî ïåðâîìó àðãóìåíòó [12] è
ðàâåíñòâî (5.8).
Ñ ó÷¼òîì (5.4) è (5.5) äàëåå íàéä¼ì
h(zα , t) = h(z, t) + αH(z, v, t) + o(α, t),
o(α, t)
→ 0 ïðè α ↓ 0,
α
ãäå
H(z, v, t) = max H1 (ψ, z, v, t), max l(ψ, z, t) > 0,
ψ∈S
ψ∈R
H(z, v, t) = 0, max l(ψ, z, t) < 0,
ψ∈S
H(z, v, t) = max max{0, H1 (ψ, z, v, t)}, max l(ψ, z, t) = 0,
ψ∈S
ψ∈R
n
o
R(t) = ψ(t) ∈ S | max{0, l(ψ, z, t)} = max max{0, l(ψ, z, t)} .
ψ(t)∈S
 ñèëó ñòðóêòóðû ôóíêöèîíàëà (5.4) íåòðóäíî çàìåòèòü, ÷òî â ñëó÷àå l(ψ, z, t) > 0
ìàêñèìóì âûðàæåíèÿ
max{0, l(ψ, z, t)} = l(ψ, z, t)
äîñòèãàåòñÿ íà åäèíñòâåííîì ýëåìåíòå ψ ∗ (t) ∈ S , ïîýòîìó â ýòîì ñëó÷àå ìíîæåñòâî R(t)
ñîñòîèò èç åäèíñòâåííîãî ýëåìåíòà ψ ∗ (t).
68
Èñïîëüçóÿ âûðàæåíèå (5.6), ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî èìååò ìåñòî ðàçëîæåíèå
Z T
h(z, t)
o(α)
ϕ(zα ) = ϕ(z) + α
H(z, v, t)dt + o(α),
→ 0 ïðè α ↓ 0.
ϕ(z)
α
0
(5.9)
Ââåä¼ì ìíîæåñòâà
T+ (z) = {t ∈ [0, T ] | l(ψ, z, t) > 0},
T− (z) = {t ∈ [0, T ] | l(ψ, z, t) < 0},
T0 (z) = {t ∈ [0, T ] | l(ψ, z, t) = 0}.
Èñïîëüçóÿ ðàçëîæåíèå (5.9), íåòðóäíî óáåäèòüñÿ â ñïðàâåäëèâîñòè ñëåäóþùåé ëåììû.
Åñëè îïîðíàÿ ôóíêöèÿ c(F, ψ) ìíîãîçíà÷íîãî îòîáðàæåíèÿ F (x, t) íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìà ïî ôàçîâîé ïåðåìåííîé x, òî:
Ëåììà 5.3.1.
ïðè z ∈/ Ω ôóíêöèîíàë ϕ äèôôåðåíöèðóåì ïî Ãàòî [43] è åãî ãðàäèåíò â òî÷êå
íàõîäèòñÿ ïî ôîðìóëå
h(z, t) ∗
∇ϕ(z) =
ψ (t) −
ϕ(z)
Z
T
t
z
h(z, τ ) ∂c(F (x, τ ), ψ ∗ (τ ))
dτ,
ϕ(z)
∂x
ïðè z ∈ Ω ôóíêöèîíàë ϕ ñóáäèôôåðåíöèðóåì è åãî ñóáäèôôåðåíöèàë â òî÷êå z íàõîäèòñÿ ïî ôîðìóëå
Z
n
∂ϕ(z) = w(t)ψ(t) −
t
T
o
∂c(F (x, τ ), ψ(τ ))
dτ w ∈ W, ψ(t) ∈ R(t) ,
w(τ )
∂x
n
R(t) = ψ(t) ∈ B(0, 1) | max{0, l(ψ, z, t)} =
max
(5.10)
o
max{0, l(ψ, z, t)} ,
ψ(t)∈B(0,1)
Z
W = {w ∈ P [0, T ] |
T
w(t), w(t) dt 6 1; w(t) > 0 ∀t ∈ T0 , w(t) = 0 ∀t ∈ T− }.
0
Çàìåòèì, ÷òî â äàííîì ñëó÷àå òàêæå èìååò ìåñòî ðàâåíñòâî
µw(t)
∂c(F (x, t), ψ(t))
∂c(F (x, t), µw(t)ψ(t))
=
∀t ∈ [0, T ], ∀µ > 0.
∂x
∂x
(5.11)
Íàõîäÿ ïðîèçâîäíóþ ôóíêöèîíàëà I ïî íàïðàâëåíèþ v ∈ Pn [0, T ], óáåæäàåìñÿ [39], ÷òî
îí äèôôåðåíöèðóåì ïî Ãàòî
0
Z
I (z, v) =
0
T
Z
T
t
∂f0
dτ, v(t) dt,
∂x
è åãî ãðàäèåíò íà ìíîæåñòâå Pn [0, T ] íàõîäèòñÿ ïî ôîðìóëå
Z T
∂f0
∇I(z) =
dτ.
∂x
t
69
(5.12)
5.4
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà
Ïîëüçóÿñü èçâåñòíûì äîñòàòî÷íûì óñëîâèåì ëîêàëüíîé òî÷íîñòè øòðàôíîé ôóíêöèè
[23], çàêëþ÷àåì, ÷òî ñïðàâåäëèâà
Ïóñòü òî÷êà z0 ∈ Ω ÿâëÿåòñÿ ëîêàëüíûì ìèíèìóìîì ôóíêöèîíàëà I íà
ìíîæåñòâå Ω â ìåòðèêå ρ. Ïðåäïîëîæèì, ÷òî â íåêîòîðîé îêðåñòíîñòè
Òåîðåìà 5.4.1.
Ωδ = {z ∈ Pn [0, T ] | ρ(z, z0 ) < δ}
òî÷êè z0 âûïîëíåíî ñîîòíîøåíèå
ϕ↓ (z) 6 −a < 0 ∀z ∈ Ωδ \ Ω.
Ïóñòü òàêæå ôóíêöèîíàë I ÿâëÿåòñÿ ëèïøèöåâûì íà ìíîæåñòâå Ωδ . Òîãäà ñóùåñòâóåò
òàêîå ÷èñëî λ∗, ÷òî äëÿ ëþáîãî λ > λ∗ òî÷êà z0 áóäåò ëîêàëüíûì ìèíèìóìîì ôóíêöèîíàëà
Φλ â ìåòðèêå ρ.
Ïóñòü âûïîëíåíû óñëîâèÿ Òåîðåìû 5.4.1. Ïóñòü òàêæå îïîðíàÿ ôóíêöèÿ
ìíîãîçíà÷íîãî îòîáðàæåíèÿ F (x, t) èç (5.1) íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìà ïî x. Äëÿ òîãî,
÷òîáû òî÷êà
Z t
Òåîðåìà 5.4.2.
z ∗ (τ )dτ
x∗ = x0 +
0
óäîâëåòâîðÿëà âêëþ÷åíèþ (5.1) è óñëîâèþ (5.2) è äîñòàâëÿëà ìèíèìóì ôóíêöèîíàëó (5.3),
íåîáõîäèìî, ÷òîáû íàøëàñü òàêàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ Ψ(t), ÷òî äëÿ âñåõ t ∈ [0, T ] âûïîëíÿþòñÿ ñîîòíîøåíèÿ
∗
∗
Ψ̇(t) = −
∂c(F (x , t), Ψ(t)) ∂f0 (x , t)
+
,
∂x
∂x
(5.13)
(ẋ∗ , Ψ(t)) − c(F (x∗ , t), Ψ(t)) = 0,
(5.14)
Ψ(T ) = 0.
(5.15)
Äîêàçàòåëüñòâî. Òåîðåìà 5.4.1 óòâåðæäàåò, ÷òî ñóùåñòâóåò òàêîå ÷èñëî λ∗
> 0, ÷òî äëÿ
âñåõ λ > λ∗ òî÷êè ëîêàëüíîãî ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà (5.3) íà ìíîæåñòâå, çàäàâàåìîì îãðàíè÷åíèÿìè (5.1), (5.2), ÿâëÿþòñÿ òî÷êàìè ëîêàëüíîãî ìèíèìóìà ôóíêöèîíàëà (5.7) íà âñ¼ì
ïðîñòðàíñòâå.
Ïîëîæèì Ψ(t) = λw(t)ψ(t), ãäå âåêòîð-ôóíêöèÿ w(t) áåð¼òñÿ èç ìíîæåñòâà W , à
âåêòîð-ôóíêöèÿ ψ(t) èç ìíîæåñòâà R(t). Ïîñêîëüêó ïî Ëåììå 5.3.1 ïðè z ∈ Ω ôóíêöèîíàë ϕ ñóáäèôôåðåíöèðóåì, è åãî ñóáäèôôåðåíöèàë âûïèñàí â (5.10), à ôóíêöèîíàë I
70
äèôôåðåíöèðóåì ïî Ãàòî, è åãî ãðàäèåíò âûïèñàí â (5.12), òî èç èçâåñòíîãî íåîáõîäèìîãî
óñëîâèÿ ìèíèìóìà [23]
0n ∈ ∂Φ(z ∗ )
èìååì ñ ó÷¼òîì (5.11), ÷òî â òî÷êå ìèíèìóìà äëÿ âñåõ t ∈ [0, T ] äîëæíî âûïîëíÿòüñÿ óñëîâèå
Z T
Z T
∂f0 (x∗ , t)
∂c(F (x∗ , t), Ψ(t))
−
dτ + Ψ(t) +
dτ = 0n ,
(5.16)
∂x
∂x
t
t
ãäå 0n íóëåâîé ýëåìåíò ïðîñòðàíñòâà Pn [0, T ]. Äèôôåðåíöèðóÿ (5.16) íà èíòåðâàëå âðåìåíè
[0, T ], ïîëó÷àåì ñèñòåìó äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé
Ψ̇(t) = −
∂c(F (x∗ , t), Ψ(t)) ∂f0 (x∗ , t)
+
∂x
∂x
ñ êîíöåâûì óñëîâèåì Ψ(T ) = 0, è ìû ïðèõîäèì ê ñîîòíîøåíèÿì (5.13), (5.15).
Ïðè t ∈ T0 èç âèäà ôóíêöèè l(ψ, z, t) ïîëó÷àåì (z, Ψ) = c(F, Ψ), ïðè t ∈ T− w(t) = 0,
è ñîîòíîøåíèå (5.14) îñòà¼òñÿ â ñèëå. Òàêèì îáðàçîì, (5.14) äîëæíî èìåòü ìåñòî ïðè ëþáîì
t ∈ [0, T ].
Òåîðåìà äîêàçàíà.
Çàìå÷àíèå 5.4.1. Òåîðåìà 5.4.2 ñôîðìóëèðîâàíà äëÿ çàäà÷è ñî ñâîáîäíûì ïðàâûì êîíöîì.
Íåòðóäíî ïîêàçàòü, ÷òî ñîîòíîøåíèÿ (5.13), (5.14) áóäóò èìåòü ìåñòî è äëÿ çàäà÷è ñ ôèêñèðîâàííûì ïðàâûì êîíöîì, îäíàêî êîíöåâîå çíà÷åíèå Ψ(T ) äëÿ ýòîé çàäà÷è â îáùåì ñëó÷àå
áóäåò íåíóëåâûì, òî åñòü çäåñü (5.15) óæå íå áóäåò èìåòü ìåñòà.
5.5
×èñëåííûå ïðèìåðû
Ïðèìåð 5.5.1. Ðàññìîòðèì ñèñòåìó äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé
ẋ1 = u1 ,
ẋ = x ,
2
1
â êîòîðîé îãðàíè÷åíèå íà óïðàâëåíèå çàäà¼òñÿ ìíîæåñòâîì
U = {u ∈ R2 | |u1 | 6 1, u2 = 0}.
Ïóñòü
çàäàíû
íà÷àëüíîå
ïîëîæåíèå
x0
=
(0, 0)
è
êîíå÷íîå
ñîñòîÿíèå
x(1) = (−1/2, −1/3) ñèñòåìû. Òðåáóåòñÿ ïîäîáðàòü òàêîå óïðàâëåíèå u∗ ∈ U , ïðè êîòîðîì ôóíêöèîíàë
Z
1
I(x) =
x2 (t)dt
0
71
ïðèíèìàåò íàèìåíüøåå çíà÷åíèå.
Ñèñòåìó ìîæíî ïåðåïèñàòü â âèäå âêëþ÷åíèÿ
ẋ ∈ F (x),
ãäå
[−1, 1]
.
F (x) =
x1
Ïîñêîëüêó îïîðíàÿ ôóíêöèÿ c(A, b) îòðåçêà A = {a ∈ R | a ∈ [−1, 1]} èìååò âèä |b|
[10], òî â äàííîì ñëó÷àå îïîðíàÿ ôóíêöèÿ ìíîãîçíà÷íîãî îòîáðàæåíèÿ F (x) âûðàæàåòñÿ ïî
ôîðìóëå
c(F, ψ) = |ψ1 | + x1 ψ2 .
Âèäíî, ÷òî ôóíêöèÿ c(F, ψ) ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìîé ïî ôàçîâûì ïåðåìåííûì è å¼ ãðàäèåíò âûïèñûâàåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì
∂c
= (ψ2 , 0)0 .
∂x
Äëÿ ãðàäèåíòà ïîäûíòåãðàëüíîé ôóíêöèè f0 ñïðàâåäëèâî âûðàæåíèå
∂f0
= (0, 1)0 .
∂x
Èç Òåîðåìû 5.4.2 ñ ó÷¼òîì Çàìå÷àíèÿ 5.4.1 ñëåäóåò, ÷òî âåêòîð-ôóíêöèÿ ψ(t) äîëæíà
óäîâëåòâîðÿòü ñèñòåìå äèôôåðåíöèàëüíûõ óðàâíåíèé
ψ̇1 = −ψ2 ,
(5.17)
ψ̇ = 1.
2
Èç Òåîðåìû 5.4.2 ñ ó÷¼òîì Çàìå÷àíèÿ 5.4.1 òàêæå ïîëó÷àåì, ÷òî äëÿ ψ(t) äëÿ âñåõ t
íåîáõîäèìî âûïîëíåíèå ñîîòíîøåíèé
(ẋ, ψ(t)) = u1 ψ1 + x1 ψ2 = c(F, ψ) = |ψ1 | + x1 ψ2 ,
îòñþäà äëÿ âñåõ t äîëæíî âûïîëíÿòüñÿ ðàâåíñòâî
u1 (t)ψ1 (t) = |ψ1 (t)|.
(5.18)
Èç (5.17), (5.18) óæå íåòðóäíî ïîëó÷èòü îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå
u∗1 (t) = −1,
u∗1 (t) = 1,
t ∈ [0, τ1 ),
t ∈ [τ1 , τ2 ),
72
(5.19)
u∗1 (t) = −1,
t ∈ [τ2 , 1],
è ñîîòâåòñòâóþùóþ åìó îïòèìàëüíóþ òðàåêòîðèþ
x∗1 (t) = −t, x∗2 (t) = −t2 /2, t ∈ [0, τ1 ),
x∗1 (t) = t + S1 , x∗2 (t) = t2 /2 + S1 t + S2 , t ∈ [τ1 , τ2 ),
(5.20)
x∗1 (t) = −t + 1/2, x∗2 (t) = −t2 /2 + t/2 − 1/2, t ∈ [τ2 , 1],
ãäå τ1 = 13/24, τ2 = 19/24, S1 = −13/12, S2 = 169/576. Äëÿ ïîèñêà âåëè÷èí τ1 , τ2 , S1 , S2 â
(5.19), (5.20) èñïîëüçîâàíû ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ è óñëîâèå íåïðåðûâíîñòè òðàåêòîðèè.
Ïðèìåð 5.5.2. Ðàññìîòðèì åù¼ îäèí ïðèìåð. Äàíî äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå
dy
yu
=
, x ∈ [x− , x+ ]
dx
x
ñ êðàåâûìè óñëîâèÿìè
y(x− ) = y− ,
y(x+ ) = y+ ,
x+ > x− > 0, y− > 0, y+ > 0
è îãðàíè÷åíèåì íà óïðàâëåíèå
−1 < δ ≤ u ≤ σ < 0.
Òðåáóåòñÿ ïîäîáðàòü òàêîå óïðàâëåíèå u∗ , êîòîðîå óäîâëåòâîðÿåò äàííîìó îãðàíè÷åíèþ è äîñòàâëÿåò ìèíèìóì ôóíêöèîíàëó
Z
I(y, u) =
x+
−y(x)f 0 (x)dx,
x−
ãäå f (x) íåêîòîðàÿ ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ.
Òàêèå çàäà÷è âñòðå÷àþòñÿ ïðè ìîäåëèðîâàíèè ðåãðåññèâíîé øêàëû ïðèáûëè [78].
Ïåðåéä¼ì îò èñõîäíîãî äèôôåðåíöèàëüíîãî óðàâíåíèÿ ê äèôôåðåíöèàëüíîìó âêëþ÷åíèþ
dy
∈ F (y, x),
dx
ãäå
h y yi
F (y, x) = δ , σ .
x x
h y yi
yσ+δ
Îòðåçîê δ , σ
ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäíîìåðíûé øàð ñ öåíòðîì â òî÷êå
è
x x
x 2
yσ−δ
ðàäèóñîì
. Îïîðíàÿ ôóíêöèÿ c(A, b) øàðà A = {a ∈ Rn | ||a − a0 || 6 r} èìååò âèä
x 2
73
a0 b + r||b|| [10], ïîýòîìó îïîðíàÿ ôóíêöèÿ ìíîãîçíà÷íîãî îòîáðàæåíèÿ F (y, x) âûðàæàåòñÿ
ïî ôîðìóëå
c(F, ψ) =
σ−δ
y σ + δ
ψ+
|ψ| .
x
2
2
Èç Òåîðåìû 5.4.2 ñ ó÷¼òîì Çàìå÷àíèÿ 5.4.1 èìååì
y
dy
y σ + δ
σ−δ
uψ =
ψ = c(F, ψ) =
ψ+
|ψ| ,
x
dx
x
2
2
òîãäà
uψ =
σ−δ
σ+δ
ψ+
|ψ|,
2
2
ïîýòîìó
u = σ, ψ(x) > 0,
u ∈ [δ, σ], ψ(x) = 0,
(5.21)
u = δ, ψ(x) < 0.
Äàëåå, ïîñêîëüêó
∂c
σ+δ
σ−δ
u
=
ψ+
|ψ| = ψ,
∂y
2x
2x
x
èç Òåîðåìû 5.4.2 ñ ó÷¼òîì Çàìå÷àíèÿ 5.4.1 ïîëó÷àåì
dψ
∂c
u
=−
− f 0 = − ψ − f 0.
dx
∂y
x
(5.22)
Èç (5.21), (5.22) óæå íåòðóäíî ïîëó÷èòü îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå
u∗ (x) = σ, x ∈ [x− , x0 ),
u∗ (x) ∈ [δ, σ], x = x0 ,
(5.23)
u∗ (x) = δ, x ∈ (x0 , x+ ],
è ñîîòâåòñâóþùóþ åìó îïòèìàëüíóþ òðàåêòîðèþ
y ∗ (x) = C1 xσ , x ∈ [x− , x0 ],
y ∗ (x) = C2 xδ , x ∈ [x0 , x+ ],
(5.24)
1
y xσ σ−δ
y+
y−
+ −
. Äëÿ ïîèñêà âåëè÷èí C1 , C2 , x0 â (5.23), (5.24) èñãäå C1 = σ , C2 = δ , x0 =
x−
x+
y− xδ+
ïîëüçîâàíû ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ è óñëîâèå íåïðåðûâíîñòè òðàåêòîðèè.
Íåòðóäíî óáåäèòüñÿ, ÷òî óñëîâèÿ (5.17), (5.18) è (5.21), (5.22) ìîãóò áûòü ïîëó÷åíû
íåïîñðåäñòâåííî èç ïðèíöèïà ìàêñèìóìà Ïîíòðÿãèíà. Çäåñü æå ïðîäåìîíñòðèðîâàí íåñêîëüêî èíîé ïîäõîä, êîãäà îñóùåñòâëÿåòñÿ ïåðåõîä îò èñõîäíîé ñèñòåìû ê ñîîòâåòñòâóþùåìó
äèôôåðåíöèàëüíîìó âêëþ÷åíèþ, äëÿ êîòîðîãî ïðèìåíÿþòñÿ ïîëó÷åííûå óñëîâèÿ îïòèìàëüíîñòè äëÿ ïîèñêà îïòèìàëüíîãî ïðîöåññà (x∗ (t), u∗ (t)).
74
Ãëàâà 6
Çàäà÷à Êîøè
 äàííîì ðàçäåëå ðàññìàòðèâàåòñÿ çàäà÷à Êîøè äëÿ íåëèíåéíîé ñèñòåìû ÎÄÓ. Ýòà
çàäà÷à ñâîäèòñÿ ê âàðèàöèîííîé çàäà÷å ìèíèìèçàöèè íåêîòîðîãî ôóíêöèîíàëà íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå. Äëÿ äàííîãî ôóíêöèîíàëà âûïèñûâàþòñÿ íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà. Íà
îñíîâàíèè ýòèõ óñëîâèé îïèñûâàþòñÿ ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà è ìåòîä ñîïðÿæ¼ííûõ íàïðàâëåíèé äëÿ ðàññìàòðèâàåìîé çàäà÷è. Ïðèâîäÿòñÿ ÷èñëåííûå ïðèìåðû ðåàëèçàöèè ýòèõ
ìåòîäîâ. Àíàëîãè÷íàÿ ñõåìà ðåøåíèÿ çàäà÷è Êîøè â ñëó÷àå ëèíåéíîé ñèñòåìû áûëà èñïîëüçîâàíà â [63]. Äîïîëíèòåëüíî èññëåäóåòñÿ çàäà÷à Êîøè ñ ñèñòåìîé, íå ðàçðåø¼ííîé îòíîñèòåëüíî ïðîèçâîäíûõ.
6.1
Ïîñòàíîâêà çàäà÷è
Ðàññìîòðèì ñèñòåìó
ẋ = f (x, t), t ∈ [0, T ],
(6.1)
x(0) = x0 .
(6.2)
ñ çàäàííûì íà÷àëüíûì óñëîâèåì
Çäåñü T > 0 íåêîòîðûé ôèêñèðîâàííûé ìîìåíò âðåìåíè, x èñêîìàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ
ôàçîâûõ êîîðäèíàò, x ∈ Cn1 [0, T ], f (x, t) çàäàííàÿ âåùåñòâåííàÿ n-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ,
x0 ∈ Rn çàäàííûé âåêòîð. Òðåáóåòñÿ íàéòè òàêîå ðåøåíèå ñèñòåìû (6.1), êîòîðîå óäîâëåòâîðÿåò íà÷àëüíîìó óñëîâèþ (6.2). Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî äëÿ (6.1), (6.2) âûïîëíåíû óñëîâèÿ
òåîðåìû Ïèêàðà. Òîãäà ðåøåíèå çàäà÷è Êîøè (6.1), (6.2) ñóùåñòâóåò è åäèíñòâåííî.
75
6.2
Ñâåäåíèå ê âàðèàöèîííîé çàäà÷å
Ïîëîæèì z(t) = ẋ(t), z ∈ Cn [0, T ]. Òîãäà ñ ó÷¼òîì (6.2)
Z t
x(t) = x0 +
z(τ )dτ .
0
Òðåáóåòñÿ íàéòè òàêóþ âåêòîð-ôóíêöèþ z ∗ ∈ Cn [0, T ], êîòîðàÿ óäîâëåòâîðÿåò ñèñòåìå
Z t
z(t) = f x0 +
z(τ )dτ, t .
(6.3)
0
Ââåä¼ì â ðàññìîòðåíèå ôóíêöèîíàë
Z
1 T
I(z) =
ϕ(z, t), ϕ(z, t) dt,
2 0
ãäå
Z
ϕ(z, t) = z(t) − f x0 +
(6.4)
t
z(τ )dτ, t .
0
Íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî ôóíêöèîíàë (6.4) íåîòðèöàòåëåí äëÿ âñåõ z ∈ Cn [0, T ] è îáðàùàåòñÿ â íîëü â òî÷êå z ∗ ∈ Cn [0, T ] òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà z ∗ ðåøåíèå çàäà÷è Êîøè
(6.1), (6.2) èëè (6.3).
6.3
Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà
Ðàññìîòðèì äèôôåðåíöèàëüíûå ñâîéñòâà ôóíêöèîíàëà I . Çàìåòèì, ÷òî èç âûïîëíåíèÿ óñëîâèé òåîðåìû Ïèêàðà ñëåäóåò ñóùåñòâîâàíèå è íåïðåðûâíîñòü ìàòðèöû
∂f
∂x
÷àñòíûõ
ïðîèçâîäíûõ.
Ôóíêöèîíàë I äèôôåðåíöèðóåì ïî Ãàòî [43], è åãî ãðàäèåíò Ãàòî â òî÷êå z
âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Ëåììà 6.3.1.
Z
∇I(z) = z(t) − f (x, t) −
T
∂f (x, τ ) 0
∂x
t
Äîêàçàòåëüñòâî. Ðàññìîòðèì
êëàññè÷åñêóþ
âàðèàöèþ
ôóíêöèîíàëà
v ∈ Cn [0, T ], α > 0. Âû÷èñëèì
Z
Z t
1 T
I(z + αv) =
z(t) + αv(t) − f x0 +
z(τ ) + αv(τ )dτ, t ,
2 0
0
Z t
z(t) + αv(t) − f x0 +
z(τ ) + αv(τ )dτ, t dt =
0
Z
= I(z) + α
0
T
∂f (x, t)
z(t) − f (x, t), v(t) −
∂x
76
(6.5)
z(τ ) − f (x, τ ) dτ.
Z
0
t
v(τ )dτ dt + o(α),
(6.4).
Ïóñòü
o(α)
↓ 0 ïðè α ↓ 0.
α
Äàëåå èìååì
Z T
I(z + αv) − I(z)
z(t) − f (x, t), v(t) dt−
I (z, v) = lim
=
α↓0
α
0
Z T Z T
Z T
∂f (x, τ ) 0
−
∇I(z), v(t) dt,
z(τ ) − f (x, τ ) dτ, v(t) dt =
∂x
0
t
0
0
è ôîðìóëà (6.5) äîêàçàíà.
Îòñþäà çàêëþ÷àåì, ÷òî äëÿ òîãî ÷òîáû âåêòîð-ôóíêöèÿ z ∗ áûëà òî÷êîé ìèíèìóìà
ôóíêöèîíàëà (6.4), íåîáõîäèìî [23] âûïîëíåíèå ñîîòíîøåíèÿ
Z T
∂f (x∗ , τ ) 0 ∗
∗
∗
z (τ ) − f (x∗ , τ ) dτ = 0n ∀t ∈ [0, T ],
z (t) − f (x , t) −
∂x
t
Z t
∗
x (t) = x0 +
z ∗ (τ )dτ,
(6.6)
0
ãäå 0n íóëåâîé ýëåìåíò ïðîñòðàíñòâà Cn [0, T ]. Îòìåòèì, ÷òî â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè èñõîäíîé
ñèñòåìû ôóíêöèîíàë I îêàçûâàåòñÿ âûïóêëûì [63], à òîãäà ñôîðìóëèðîâàííîå íåîáõîäèìîå
óñëîâèå ìèíèìóìà áóäåò è äîñòàòî÷íûì.
6.4
Ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà
Îïèøåì âíà÷àëå ñëåäóþùèé ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà [37] äëÿ ïîèñêà ñòàöèîíàðíûõ òî÷åê ôóíêöèîíàëà I .
Ôèêñèðóåì ïðîèçâîëüíîå z1 ∈ Cn [0, T ]. Ïóñòü óæå ïîñòðîåíî zk ∈ Cn [0, T ]. Åñëè âûïîëíåíî íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà (6.6), òî zk ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé ôóíêöèîíàëà
I , è ïðîöåññ ïðåêðàùàåòñÿ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïîëîæèì
zk+1 (t) = zk (t) + γk G(zk , t),
(6.7)
ãäå G(zk , t) ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé àíòèãðàäèåíò ôóíêöèîíàëà I â òî÷êå zk , êîòîðûé ñ ó÷¼òîì
(6.5) íàõîäèòñÿ ïî ôîðìóëå
Z
T
∂f (x , τ ) 0
k
zk (τ ) − f (xk , τ ) dτ,
∂x
t
Z t
xk (t) = x0 +
zk (τ )dτ,
G(zk , t) = −zk (t) + f (xk , t) +
(6.8)
0
à γk ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñëåäóþùåé çàäà÷è îäíîìåðíîé ìèíèìèçàöèè
min I(zk + γG(zk , t)) = I(zk + γk G(zk , t)).
γ>0
77
(6.9)
 ñèëó (6.9)
I(zk+1 ) 6 I(zk ).
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {zk } áåñêîíå÷íà, òî áëàãîäàðÿ íåïðåðûâíîñòè G(zk , t) êàê ôóíêöèè
z îïèñàííûé ìåòîä ñõîäèòñÿ [23] â ñëåäóþùåì ñìûñëå
s
Z T
G(zk , t), G(zk , t) dt → 0, k → ∞.
||G(zk )|| =
0
Åñëè ïîñëåäîâàòåëüíîñòü {zk } êîíå÷íà, òî ïîñëåäíÿÿ å¼ òî÷êà ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé
ôóíêöèîíàëà I ïî ïîñòðîåíèþ.
6.5
Ìåòîä ñîïðÿæ¼ííûõ íàïðàâëåíèé
Îïèøåì òåïåðü ñëåäóþùèé ìåòîä ñîïðÿæ¼ííûõ íàïðàâëåíèé [13] äëÿ ïîèñêà ñòàöèîíàðíûõ òî÷åê ôóíêöèîíàëà I .
Ôèêñèðóåì ïðîèçâîëüíîå z1 ∈ Cn [0, T ]. Ïóñòü óæå ïîñòðîåíî zk ∈ Cn [0, T ]. Åñëè âûïîëíåíî íåîáõîäèìîå óñëîâèå ìèíèìóìà (6.6), òî zk ÿâëÿåòñÿ ñòàöèîíàðíîé òî÷êîé ôóíêöèîíàëà
I , è ïðîöåññ ïðåêðàùàåòñÿ.  ïðîòèâíîì ñëó÷àå ïîëîæèì
zk+1 (t) = zk (t) + γk W (zk , t),
(6.10)
W (z0 , t) = G(z0 , t), W (zk , t) = G(zk , t) + βk W (zk−1 , t),
ãäå G(zk , t) îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé (6.8), à γk ÿâëÿåòñÿ ðåøåíèåì ñëåäóþùåé çàäà÷è îäíîìåðíîé ìèíèìèçàöèè
min I(zk + γW (zk , t)) = I(zk + γk W (zk , t)).
γ>0
(6.11)
Âåëè÷èíó βk ìîæíî èñêàòü ïî-ðàçíîìó. Äëÿ íàõîæäåíèÿ βk íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåíû
ïðàâèëî Ôëåò÷åðàÐèâñà
Z
βk = Z
T
G(zk , t), G(zk , t) dt
0
T
G(zk−1 , t), G(zk−1 , t) dt
0
è ïðàâèëî ÏîëàêàÐàéáåðà
Z
βk =
0
T
G(zk , t), G(zk , t) − G(zk−1 , t) dt
.
Z T
G(zk−1 , t), G(zk−1 , t) dt
0
78
 ñèëó (6.11)
I(zk+1 ) 6 I(zk ).
Èç (6.7) è (6.10) âèäíî, ÷òî íà ïåðâîé èòåðàöèè ÌÍÑ è ÌÑÍ ñîâïàäàþò. Ìåòîä ñîïðÿæ¼ííûõ íàïðàâëåíèé îáû÷íî îêàçûâàåòñÿ áîëåå ýôôåêòèâíûì, ÷åì ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà.
Íàïðèìåð, ïðè ìèíèìèçàöèè âûïóêëûõ êâàäðàòè÷íûõ ôóíêöèé â êîíå÷íîìåðíûõ çàäà÷àõ
ÌÑÍ ñõîäèòñÿ çà êîíå÷íîå ÷èñëî èòåðàöèé, â îòëè÷èå îò ÌÍÑ, êîòîðûé â îáùåì ñëó÷àå
ñõîäèòñÿ ëèøü â ïðåäåëå.
6.6
×èñëåííûå ïðèìåðû
Ïðèìåð 6.6.1. Äëÿ èëëþñòðàöèè ìåòîäà íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà ðàññìîòðèì ñëåäóþùèé
ïðèìåð. Ïóñòü òðåáóåòñÿ ðåøèòü çàäà÷ó Êîøè
ẋ = −x2 ,
x(0) = 1.
Çàäàäèì T = 1. Àíàëèòè÷åñêîå ðåøåíèå èìååò âèä
x(t) =
1
.
t+1
 Òàáëèöå 6.6.1 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû âû÷èñëåíèé ñ ïîìîùüþ ìåòîäà íàèñêîðåéøåãî
ñïóñêà.  êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ âçÿòà òî÷êà z(t) = 0, à òîãäà x(t) = 1. Èç
Òàáëèöû 6.6.1 âèäíî, ÷òî íà 3-åé èòåðàöèè ïîãðåøíîñòü íå ïðåâûøàåò âåëè÷èíû 2 × 10−5 .
Òàáëèöà 6.6.1. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÍÑ
||z ∗ − zk || ||x∗ − xk || ||G(zk )||
k
I(zk )
1
0.5
0.54006
0.3372
1.0408
2
0.00318
0.07374
0.01472
0.04325
0.0048
0.00087
0.00036
3 0.0000153
Ïðèìåð 6.6.2. Äëÿ èëëþñòðàöèè ìåòîäà ñîïðÿæ¼ííûõ íàïðàâëåíèé ðàññìîòðèì åù¼ îäèí
ïðèìåð. Ïóñòü òðåáóåòñÿ ðåøèòü çàäà÷ó Êîøè
ẋ1 = (a − bx2 )x1 ,
ẋ = (−c + dx )x ,
2
1 2
79
ãäå íà÷àëüíûå óñëîâèÿ èìåþò âèä
x1 (0) = 3, x2 (0) = 1.
Òàêèå ñèñòåìû âñòðå÷àþòñÿ ïðè ìîäåëèðîâàíèè æèçíåäåÿòåëüíîñòè ïîïóëÿöèé è îïèñûâàþò âçàèìîäåéñòâèå õèùíèêîâ ñ æåðòâàìè. Ïðèâåä¼ííàÿ ñèñòåìà óðàâíåíèé ÿâëÿåòñÿ
îäíîé èç ñàìûõ èçâåñòíûõ äëÿ îïèñàíèÿ äèíàìèêè âçàèìîäåéñòâóþùèõ ïîïóëÿöèé è íîñèò
íàçâàíèå ìîäåëè ÂîëüòåððàËîòêà [77]. Çäåñü x1 êîëè÷åñòâî æåðòâ, x2 êîëè÷åñòâî õèùíèêîâ. Êîýôôèöèåíòû a, b, c, d ïîëîæèòåëüíû, a ñêîðîñòü ðàçìíîæåíèÿ æåðòâ â îòñóòñòâèè
õèùíèêîâ, b õàðàêòåðèçóåò ñîêðàùåíèå êîëè÷åñòâà æåðòâ èç-çà õèùíèêîâ, c ñêîðîñòü âûìèðàíèÿ õèùíèêîâ â îòñóòñòâèè æåðòâ, d õàðàêòåðèçóåò êîìïåíñàöèþ êîëè÷åñòâà õèùíèêîâ
çà ñ÷¼ò æåðòâ. Çàäàäèì T = 1, a = b = c = d = 1.
 Òàáëèöå 6.6.2 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû âû÷èñëåíèé ñ ïîìîùüþ ìåòîäà ñîïðÿæ¼ííûõ íàïðàâëåíèé.  êà÷åñòâå íà÷àëüíîãî ïðèáëèæåíèÿ âçÿòà òî÷êà z(t) = [t, t], à òîãäà
x(t) = [3 + 21 t2 , 1 + 12 t2 ]. Èç Òàáëèöû 6.6.2 âèäíî, ÷òî íà 6-îé èòåðàöèè ïîãðåøíîñòü íå ïðåâûøàåò âåëè÷èíû 3 × 10−2 .
Òàáëèöà 6.6.2. Ðåçóëüòàòû ðàáîòû ÌÑÍ
k
I(zk )
1
2
3
4
5
6
2.9974 1.6008 1.2617 0.4419 0.0591 0.0207
||G(zk )|| 4.6257 2.1201 1.3691 0.6875 0.7836 0.1608
6.7
Ñëó÷àé íåðàçðåø¼ííîñòè îòíîñèòåëüíî ïðîèçâîäíûõ
Äîïîëíèòåëüíî èññëåäóåì çàäà÷ó Êîøè, êîãäà ñèñòåìà ÎÄÓ íå ðàçðåøåíà îòíîñèòåëüíî ïðîèçâîäíûõ, òî åñòü ðàññìîòðèì çàäà÷ó
g(x, ẋ, t) = 0, t ∈ [0, T ],
(6.12)
x(0) = x0 .
(6.13)
Çäåñü T íåêîòîðûé ôèêñèðîâàííûé ìîìåíò âðåìåíè, x èñêîìàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ ôàçîâûõ êîîðäèíàò, x ∈ Cn1 [0, T ], g(x, ẋ, t) çàäàííàÿ âåùåñòâåííàÿ n-ìåðíàÿ âåêòîð-ôóíêöèÿ,
x0 ∈ Rn çàäàííûé âåêòîð. Òðåáóåòñÿ íàéòè òàêîå ðåøåíèå ñèñòåìû (6.12), êîòîðîå óäîâëåòâîðÿåò íà÷àëüíîìó óñëîâèþ (6.13). Ïðåäïîëàãàåì g(x, ẋ, t) íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìîé
ïî x è ẋ è íåïðåðûâíîé ïî âñåì òð¼ì àðãóìåíòàì. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ðåøåíèå çàäà÷è Êîøè (6.12), (6.13) ñóùåñòâóåò è åäèíñòâåííî. Òàê æå, êàê è â çàäà÷å (6.1), (6.2), ïîëîæèì
z(t) = ẋ(t), z ∈ Cn [0, T ].
80
Ââåä¼ì â ðàññìîòðåíèå ôóíêöèîíàë
Z
1 T
J(z) =
g(z, t), g(z, t) dt,
2 0
Z t
ãäå g(z, t) = g x0 +
z(τ )dτ, z, t .
(6.14)
0
Íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî ôóíêöèîíàë (6.14) íåîòðèöàòåëåí äëÿ âñåõ z ∈ Cn [0, T ] è îáðàùàåòñÿ â íîëü â òî÷êå z ∗ òîãäà è òîëüêî òîãäà, êîãäà z ∗ ðåøåíèå çàäà÷è (6.12), (6.13).
Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî äëÿ çàäà÷è (6.12), (6.13) ñïðàâåäëèâà ëåììà, àíàëîãè÷íàÿ Ëåììå 6.3.1 äëÿ çàäà÷è (6.1), (6.2).
Ôóíêöèîíàë J äèôôåðåíöèðóåì ïî Ãàòî, è åãî ãðàäèåíò Ãàòî â òî÷êå z
âûðàæàåòñÿ ïî ôîðìóëå
Ëåììà 6.7.1.
Z
∇J(z) =
t
T
∂g(x, z, τ ) 0
∂x
g(x, z, τ )dτ +
∂g(x, z, t) 0
∂z
g(x, z, t).
Îòñþäà çàêëþ÷àåì, ÷òî äëÿ òîãî ÷òîáû âåêòîð-ôóíêöèÿ z ∗ áûëà òî÷êîé ìèíèìóìà
ôóíêöèîíàëà (6.14), íåîáõîäèìî [23] âûïîëíåíèå ñîîòíîøåíèÿ
Z T
∂g(x∗ , z ∗ , t) 0
∂g(x∗ , z ∗ , τ ) 0 ∗ ∗
g(x , z , τ )dτ +
g(x∗ , z ∗ , t) = 0n ∀t ∈ [0, T ].
∂x
∂z
t
81
Çàêëþ÷åíèå
Ïðèâåä¼ì êðàòêèé îáçîð ðåçóëüòàòîâ, ïîëó÷åííûõ â äàííîé ðàáîòå.
Âî ââåäåíèè äà¼òñÿ îáçîð ëèòåðàòóðû ïî òåìå ðàáîòû, îáñóæäàåòñÿ àêòóàëüíîñòè èññëåäîâàíèÿ, åãî òåîðåòè÷åñêàÿ è ïðàêòè÷åñêàÿ çíà÷èìîñòü.
 ãëàâå 1 äàþòñÿ îñíîâíûå ïðåäâàðèòåëüíûå ñâåäåíèÿ, êîòîðûå èñïîëüçóþòñÿ â ïîñëåäóþùèõ ãëàâàõ.
 ãëàâå 2 ðàññìàòðèâàåòñÿ çàäà÷à ìèíèìèçàöèè ïîëèíîìà îò èíòåãðàëüíûõ ôóíêöèîíàëîâ. Äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è èñïîëüçóþòñÿ ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà è ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà. Îòìå÷åíî, ÷òî òàêèå ïîëèíîìû èìåþò ïðèëîæåíèÿ â íåêîòîðûõ
çàäà÷àõ óïðàâëåíèÿ, èíòåãðàëüíûõ óðàâíåíèÿõ è àýðîäèíàìèêå.
Âî ãëàâå 3 çàäà÷à ïîñòðîåíèÿ ïðîãðàììíîãî óïðàâëåíèÿ è ñîîòâåòñòâóþùåãî åìó ïðîãðàììíîãî äâèæåíèÿ ïðè èíòåãðàëüíîì îãðàíè÷åíèè íà óïðàâëåíèå ñâîäèòñÿ ê âàðèàöèîííîé
çàäà÷å ìèíèìèçàöèè íåêîòîðîãî íåãëàäêîãî ôóíêöèîíàëà íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå. Äëÿ ýòîãî
ôóíêöèîíàëà âûïèñàíû ñóáäèôôåðåíöèàë è ãèïîäèôôåðåíöèàë, íàéäåíû íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà, êîòîðûå â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè èñõîäíîé ñèñòåìû ïî ôàçîâûì ïåðåìåííûì è
óïðàâëåíèþ îêàçûâàþòñÿ è äîñòàòî÷íûìè. Íà îñíîâàíèè ýòèõ óñëîâèé îïèñûâàþòñÿ ìåòîä
ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà è ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà. Ïðèâåäåíû ÷èñëåííûå ïðèìåðû ðåàëèçàöèè îïèñàííûõ ìåòîäîâ.
 ãëàâå 4 çàäà÷à ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ñ èíòåãðàëüíûì îãðàíè÷åíèåì
íà óïðàâëåíèå ñâîäèòñÿ ê âàðèàöèîííîé çàäà÷å ìèíèìèçàöèè íåêîòîðîãî íåãëàäêîãî ôóíêöèîíàëà íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå. Äëÿ ýòîãî ôóíêöèîíàëà âûïèñàíû ñóáäèôôåðåíöèàë è ãèïîäèôôåðåíöèàë, íàéäåíû íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà, êîòîðûå â ñëó÷àå ëèíåéíîñòè
èñõîäíîé ñèñòåìû ïî ôàçîâûì ïåðåìåííûì è óïðàâëåíèþ è âûïóêëîñòè ìèíèìèçèðóåìîãî
ôóíêöèîíàëà îêàçûâàþòñÿ è äîñòàòî÷íûìè. Íà îñíîâàíèè ýòèõ óñëîâèé îïèñûâàþòñÿ ìåòîä
ñóáäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà è ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà äëÿ äàííîé çàäà÷è.
Ïðèâåäåíû ÷èñëåííûå ïðèìåðû ðåàëèçàöèè îïèñàííûõ ìåòîäîâ.
 ãëàâå 5 ïðîäåìîíñòðèðîâàíî ïðèìåíåíèå òåîðèè øòðàôíûõ ôóíêöèé ê çàäà÷å îïòè-
82
ìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíûì âêëþ÷åíèåì. Àïïàðàò îïîðíûõ ôóíêöèé ïîçâîëÿåò ñâåñòè èñõîäíóþ çàäà÷ó ê îïòèìèçàöèîííîé çàäà÷å ïðè íàëè÷èè îãðàíè÷åíèé. Ñ ïîìîùüþ
òî÷íûõ øòðàôîâ ýòà çàäà÷à ïðè íàëè÷èè îãðàíè÷åíèé ñâîäèòñÿ ê ìèíèìèçàöèè íåêîòîðîãî
íåãëàäêîãî ôóíêöèîíàëà íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå. Ïðè óñëîâèè íåïðåðûâíîé äèôôåðåíöèðóåìîñòè îïîðíîé ôóíêöèè ìíîãîçíà÷íîãî îòîáðàæåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíîãî âêëþ÷åíèÿ ïî
âåêòîðó ôàçîâûõ êîîðäèíàò ýòîò ôóíêöèîíàë îêàçûâàåòñÿ ñóáäèôôåðåíöèðóåìûì, ÷òî ïîçâîëÿåò âûïèñàòü íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà â òåðìèíàõ ñóáäèôôåðåíöèàëà, ñîâïàäàþùèå ïðè äîïîëíèòåëüíûõ ïðåäïîëîæåíèÿõ ñ íåêîòîðûì êëàññè÷åñêèì ðåçóëüòàòîì äëÿ ýòîé
çàäà÷è.
 ãëàâå 6 çàäà÷à Êîøè ñ íåëèíåéíîé ñèñòåìîé è íà÷àëüíûì óñëîâèåì ñâîäèòñÿ ê ìèíèìèçàöèè íåêîòîðîãî ôóíêöèîíàëà íà âñ¼ì ïðîñòðàíñòâå. Äëÿ ýòîãî ôóíêöèîíàëà âûïèñàí
ãðàäèåíò Ãàòî, íàéäåíû íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà. Íà îñíîâàíèè óñëîâèé ìèíèìóìà
îïèñûâàþòñÿ ìåòîä íàèñêîðåéøåãî ñïóñêà è ìåòîä ñîïðÿæ¼ííûõ íàïðàâëåíèé äëÿ ðàññìàòðèâàåìîé çàäà÷è. Ïðèâåäåíû ÷èñëåííûå ïðèìåðû ðåàëèçàöèè îïèñàííûõ ìåòîäîâ. Äîïîëíèòåëüíî èññëåäóåòñÿ çàäà÷à Êîøè ñ ñèñòåìîé, íå ðàçðåø¼ííîé îòíîñèòåëüíî ïðîèçâîäíûõ.
Äàëüíåéøèå èññëåäîâàíèÿ ìîãóò âåñòèñü â íàïðàâëåíèè ïðèìåíåíèÿ îïèñàííîãî ïîäõîäà ê çàäà÷àì îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ ñ ðàçëè÷íûìè îãðàíè÷åíèÿìè íà óïðàâëÿþùóþ
ôóíêöèþ, à òàêæå ôàçîâûìè îãðàíè÷åíèÿìè. Êðîìå òîãî, àíàëîãè÷íûå ìåòîäû ìîãóò áûòü
ïðèìåíåíû ê ðàçëè÷íûì çàäà÷àì íàáëþäåíèÿ è èäåíòèôèêàöèè. Ïðåäñòàâëÿåò èíòåðåñ äàëüíåéøåå èçó÷åíèå äèôôåðåíöèàëüíûõ âêëþ÷åíèé ñ ïðèìåíåíèåì àïïàðàòà íåãëàäêîé îïòèìèçàöèè, ïîñòðîåíèå êîíñòðóêòèâíûõ ìåòîäîâ â ýòèõ çàäà÷àõ.
83
Ñïèñîê îáîçíà÷åíèé
X × Y ïðÿìîå ïðîèçâåäåíèå ïðîñòðàíñòâ X è Y ;
X ∗ ïðîñòðàíñòâî, ñîïðÿæ¼ííîå ê ïðîñòðàíñòâó X ;
R ìíîæåñòâî âåùåñòâåííûõ ÷èñåë;
0 íóëåâîé ýëåìåíò ïðîñòðàíñòâà Rn ;
co A âûïóêëàÿ îáîëî÷êà ìíîæåñòâà A;
∃ êâàíòîð ñóùåñòâîâàíèÿ;
∀ êâàíòîð âñåîáùíîñòè;
| · | ìîäóëü;
k · k íîðìà;
ρ(·, ·) ìåòðèêà;
kf k, f ∈ L2 íîðìà â ïðîñòðàíñòâå L2 [a, b];
ρ(f, g), f, g ∈ L2 ìåòðèêà â ïðîñòðàíñòâå L2 [a, b];
B(x, r) çàìêíóòûé øàð ðàäèóñà r ñ öåíòðîì â òî÷êå x;
S åäèíè÷íàÿ ñôåðà;
N ìíîæåñòâî íàòóðàëüíûõ ÷èñåë;
dom f ýôôåêòèâíîå ìíîæåñòâî ôóíêöèè f ;
f 0 (x, g) ïðîèçâîäíàÿ ôóíêöèè f â òî÷êå x ïî íàïðàâëåíèþ g ;
∇f (x) ïðîèçâîäíàÿ Ãàòî ôóíêöèè f â òî÷êå x;
∂f (x) ñóáäèôôåðåíöèàë ôóíêöèè f â òî÷êå x;
df
ãèïîäèôôåðåíöèàë ôóíêöèè f â òî÷êå x;
Z (x)
b
(f (t), g(t))dt, f, g ∈ L2 , ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå â ïðîñòðàíñòâå L2 [a, b];
a
sign α çíàê ÷èñëà α;
Cd [a, b] ïðîñòðàíñòâî íåïðåðûâíûõ dìåðíûõ âåêòîð-ôóíêöèé, îïðåäåë¼ííûõ íà îòðåçêå [a, b];
Cd1 [a, b] ïðîñòðàíñòâî íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìûõ dìåðíûõ âåêòîð-ôóíêöèé,
îïðåäåë¼ííûõ íà îòðåçêå [a, b];
84
Pd [a, b] ïðîñòðàíñòâî êóñî÷íî íåïðåðûâíûõ dìåðíûõ âåêòîð-ôóíêöèé, îïðåäåë¼ííûõ íà îòðåçêå [a, b];
L2 [a, b] ïðîñòðàíñòâî èçìåðèìûõ, ñóììèðóåìûõ ñ êâàäðàòîì âåêòîð-ôóíêöèé, îïðåäåë¼ííûõ íà îòðåçêå [a, b];
α ↓ 0 α → +0;
E åäèíè÷íàÿ ìàòðèöà;
ei êàíîíè÷åñêèé áàçèñ â ïðîñòðàíñòâå Rn ;
(·)0 òðàíñïîíèðîâàíèå;
c(F, ψ) = sup(f, ψ) îïîðíàÿ ôóíêöèÿ ìíîæåñòâà F ⊂ Rn ;
f ∈F
85
Ëèòåðàòóðà
[1] Àíòèïèí À. Ñ., Õîðîøèëîâà Å. Â. Ëèíåéíîå ïðîãðàììèðîâàíèå è äèíàìèêà //
Òðóäû Èíñòèòóòà ìàòåìàòèêè è ìåõàíèêè ÓðÎ ÐÀÍ. 2013. Ò. 19. 2. C. 725.
[2] Àíòèïèí À. Ñ., Õîðîøèëîâà Å. Â. Î êðàåâîé çàäà÷å òåðìèíàëüíîãî óïðàâëåíèÿ
ñ êâàäðàòè÷íûì êðèòåðèåì êà÷åñòâà // Èçâ. Èðê. óí-òà. Ñåð. Ìàòåìàòèêà. 2014. Ò. 8.
Ñ. 728.
[3] Àíòèïèí À. Ñ., Õîðîøèëîâà Å. Â. Îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå ñî ñâÿçàííûìè íà÷àëüíûìè è òåðìèíàëüíûìè óñëîâèÿìè // Òðóäû Èíñòèòóòà ìàòåìàòèêè è ìåõàíèêè
ÓðÎ ÐÀÍ. 2014. Ò. 20. 2. C. 1328.
[4] Áàðàíîâ À. Þ., Êàçàðèíîâ Þ. Ô., Xîìåíþê Â. Â. Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû îïòèìèçàöèè íåëèíåéíûõ ñèñòåì àâòîìàòè÷åñêîãî ðåãóëèðîâàíèÿ.  ñá. ¾Ïðèêë. çàäà÷è òåõí.
êèáåðíåòèêè¿. 1966. Ñ. 307316.
[5] Áåéêî È. Â. ×èñëåííûå ìåòîäû îòûñêàíèÿ îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé.  ñá. ¾Îïòèìàëüíûå ñèñòåìû. Ñòàòèñò. ìåòîäû¿. Ì.: Íàóêà, 1967. Ñ. 176183.
[6] Áåéêî È. Â., Áåéêî Ì. Ô. Îá îäíîì íîâîì ïîäõîäå ê ðåøåíèþ íåëèíåéíûõ êðàåâûõ
çàäà÷ // Óêð. ìàò. æ. 1968. Ò. 20. 6. Ñ. 723731.
[7] Áåëëìàí Ð. Äèíàìè÷åñêîå ïðîãðàììèðîâàíèå. Ïåðåâ. ñ àíãë. Ì.: Èçäâî èí. ëèò.,
1960. 400 ñ.
[8] Áåëëìàí Ð. Äèíàìè÷åñêîå ïðîãðàììèðîâàíèå è ñîâðåìåííàÿ òåîðèÿ óïðàâëåíèÿ. Ïåðåâ. ñ àíãë. Ì.: Íàóêà, 1969. 118 c.
[9] Áåðåçèí È. Ñ., Æèäêîâ Í. Ï. Ìåòîäû âû÷èñëåíèé. Òîì 1. Èçäâî. 2-å, ñòåðåîòèï.
Ì.: Ôèçìàòëèò, 1962. 464 c.
[10] Áëàãîäàòñêèõ Â. È. Ââåäåíèå â îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå. Ì.: Âûñøàÿ øêîëà, 2001.
239 ñ.
86
[11] Áëàãîäàòñêèõ Â. È. Ïðèíöèï ìàêñèìóìà äëÿ äèôôåðåíöèàëüíûõ âêëþ÷åíèé // Òð.
ÌÈÀÍ. 1984. Ò. 166. Ñ. 2343.
[12] Áëàãîäàòñêèõ Â. È., Ôèëèïïîâ À. Ô. Äèôôåðåíöèàëüíûå âêëþ÷åíèÿ è îïòèìàëüíîå óïðàâëåíèå // Òðóäû ÌÈÀÍ. 1985. Ò. 169. Ñ. 194252.
[13] Âàñèëüåâ Ô. Ï. Ìåòîäû îïòèìèçàöèè. Ì.: Ôàêòîðèàë Ïðåññ, 2002. 824 c.
[14] Ãàáàñîâ Ð. Âîïðîñû êîíñòðóêòèâíîé òåîðèè îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ // Âåñòíèê
Áåëîðóññêîãî ãîñóäàðñòâåííîãî óíèâåðñèòåòà. Ñåð. 1. 1981. 3. Ñ. 5661.
[15] Ãþíòåð Í. Ì. Êóðñ âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ. Ì.: Ãîñòåõèçäàò, 1941. 308 c.
[16] Äàíñêèí Äæ. Òåîðèÿ ìàêñèìèíà è å¼ ïðèëîæåíèå ê çàäà÷àì ðàñïðåäåëåíèÿ âîîðóæåíèÿ. Ì.: Ñîâåòñêîå ðàäèî, 1970. 200 ñ.
[17] Äàóãàâåò Â. À. Ìîäèôèêàöèÿ ìåòîäà Âóëôà // Æóðíàë âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè
è ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêè. 1981. Ò. 21. 2. Ñ. 504508.
[18] Äàóãàâåò Â. À. ×èñëåííûå ìåòîäû êâàäðàòè÷íîãî ïðîãðàììèðîâàíèÿ. ÑÏá.: Èçäâî
ÑÏáÃÓ, 2001. 128 ñ.
[19] Äåìüÿíîâ Â. Ô. Ê ïîñòðîåíèþ îïòèìàëüíîé ïðîãðàììû â ëèíåéíîé ñèñòåìå //
Àâòîìàòèêà è òåëåìåõàíèêà. 1964. Ò. 25. 1. Ñ. 311.
[20] Äåìüÿíîâ Â. Ô. Ìèíèìàêñ: äèôôåðåíöèðóåìîñòü ïî íàïðàâëåíèÿì. Ë.: Èçäâî ËÃÓ,
1974. 112 ñ.
[21] Äåìüÿíîâ Â. Ô. Íåãëàäêèé àíàëèç íà ïëîñêîñòè. ×àñòü I // Ñîðîñîâñêèé Îáðàçîâàòåëüíûé Æóðíàë. 1997. 8. Ñ. 122127.
[22] Äåìüÿíîâ Â. Ô. Ïîñòðîåíèå ïðîãðàììíîãî óïðàâëåíèÿ â ëèíåéíîé ñèñòåìå, îïòèìàëüíîãî â èíòåãðàëüíîì ñìûñëå // Ïðèêë. ìàò. è ìåõ. 1963. Ò. 27. 3. Ñ. 554556.
[23] Äåìüÿíîâ Â. Ô. Óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà è âàðèàöèîííîå èñ÷èñëåíèå. Ì.: Âûñøàÿ øêîëà,
2005. 335 ñ.
[24] Äåìüÿíîâ Â. Ô., Âàñèëüåâ Ë. Â. Íåäèôôåðåíöèðóåìàÿ îïòèìèçàöèÿ. Ì.: Íàóêà,
1981. 384 ñ.
87
[25] Äåìüÿíîâ Â. Ô., Äîëãîïîëèê Ì. Â. Êîäèôôåðåíöèðóåìûå ôóíêöèè â áàíàõîâûõ
ïðîñòðàíñòâàõ: ìåòîäû è ïðèëîæåíèÿ ê çàäà÷àì âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ // Âåñòí.
Ñ.-Ïåòåðá. óí-òà. Ñåð. 10: Ïðèêëàäíàÿ ìàòåìàòèêà, èíôîðìàòèêà, ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ. 2013. Âûï. 3. Ñ. 4866.
[26] Äåìüÿíîâ Â. Ô., Ìàëîç¼ìîâ Â. Í. Ââåäåíèå â ìèíèìàêñ. Ì: Íàóêà, 1972. 368 ñ.
[27] Äåìüÿíîâ Â. Ô., Ïîëÿêîâà Ë. Í. Óñëîâèÿ ìèíèìóìà êâàçèäèôôåðåíöèðóåìîé
ôóíêöèè íà êâàçèäèôôåðåíöèðóåìîì ìíîæåñòâå // Æóðíàë âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêè. 1980. Ò. 20. 4. Ñ. 849856.
[28] Äåìüÿíîâ Â. Ô., Ðóáèíîâ À. Ì. Îñíîâû íåãëàäêîãî àíàëèçà è êâàçèäèôôåðåíöèàëüíîå èñ÷èñëåíèå. Ì.: Íàóêà, 1990. 432 ñ.
[29] Äåìüÿíîâ Â. Ô., Ðóáèíîâ À. Ì. Ýëåìåíòû êâàçèäèôôåðåíöèàëüíîãî èñ÷èñëåíèÿ
/ Íåãëàäêèå çàäà÷è òåîðèè îïòèìèçàöèè è óïðàâëåíèÿ; ïîä ðåä. Â. Ô. Äåìüÿíîâà.
Ë.: Èçäâî Ëåíèíãð. óíòà, 1982. Ñ. 5127.
[30] Äåìüÿíîâ Â. Ô., Ðóáèíîâ À. Ì. Ïðèáëèæ¼ííûå ìåòîäû ðåøåíèÿ ýêñòðåìàëüíûõ
çàäà÷. Ë.: Èçäâî Ëåíèíãð. óíòà, 1968. 178 ñ.
[31] Äåìüÿíîâ Â. Ô., Òàìàñÿí Ã. Ø. Î ïðÿìûõ ìåòîäàõ ðåøåíèÿ âàðèàöèîííûõ çàäà÷
// Òðóäû Èíñòèòóòà ìàòåìàòèêè è ìåõàíèêè ÓðÎ ÐÀÍ. 2010. Ò. 16. 5. C. 3647.
[32] Åãîðîâ À. È. Îñíîâû òåîðèè óïðàâëåíèÿ. Ì.: Ôèçìàòëèò, 2004.
[33] Åð¼ìèí È. È. Ìåòîä ¾øòðàôîâ¿ â âûïóêëîì ïðîãðàììèðîâàíèè // Äîêëàäû ÀÍ
ÑÑÑÐ, 1967. Ò. 143. 4. Ñ. 7475.
[34] Çóáîâ Â. È. Ëåêöèè ïî òåîðèè óïðàâëåíèÿ. Ì.: Íàóêà, 1969. 497 c.
[35] Èîôôå À. Ä., Òèõîìèðîâ Â. Ì. Òåîðèÿ ýêñòðåìàëüíûõ çàäà÷. Ì.: Íàóêà, 1974.
481 ñ.
[36] Èñàåâ Â. Ê., Ñîíèí Â. Â. Âû÷èñëèòåëüíûå àñïåêòû çàäà÷è îá îïòèìàëüíîì ïåðåë¼òå
êàê êðàåâîé çàäà÷è // Æóðíàë âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêè.
1965. Ò. 5. 2. Ñ. 252261.
[37] Êàíòîðîâè÷ Ë. Â., Àêèëîâ Ã. Ï. Ôóíêöèîíàëüíûé àíàëèç. Ì.: Íàóêà, 1977. 741 ñ.
88
[38] Êàðåëèí Â. Â. Òî÷íûå øòðàôû â îäíîé çàäà÷å óïðàâëåíèÿ // Àâòîìàòèêà è òåëåìåõàíèêà. 2004. 3. Ñ. 137147.
[39] Êàðåëèí Â. Â. Òî÷íûå øòðàôû â çàäà÷å íàáëþäåíèÿ // Âåñòí. Ñ.-Ïåòåðá. óí-òà.
Ñåð. 10: Ïðèêëàäíàÿ ìàòåìàòèêà, èíôîðìàòèêà, ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ. 2008. Âûï. 4.
Ñ. 37.
[40] Êàðïåíêî Ì. Ô. Èòåðàöèîííûé ìåòîä îòûñêàíèé îïòèìàëüíûõ óïðàâëåíèé. Â ñá.
¾Êèáåðíåòèêà è òåõí. âû÷èñë.¿. Êèåâ: Íàóêîâà äóìêà, 1964. Ñ. 148157.
[41] Êëàðê Ô. Îïòèìèçàöèÿ è íåãëàäêèé àíàëèç. Ì.: Íàóêà, 1988. 280 ñ.
[42] Êðàñîâñêèé Í. Í. Òåîðèÿ óïðàâëåíèÿ äâèæåíèåì. Ì.: Íàóêà, 1968. 476 c.
[43] Êðåéí Ñ. Ã. Ôóíêöèîíàëüíûé àíàëèç. Ì.: Íàóêà, 1964. 424 c.
[44] Êðûëîâ È. À. ×èñëåííîå ðåøåíèå çàäà÷è îá îïòèìàëüíîé ñòàáèëèçàöèè ñïóòíèêà
// Æóðíàë âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêè. 1968. Ò. 8. 1.
Ñ. 203208.
[45] Êðûëîâ È. À., ×åðíîóñüêî Ô. Ë. Àëãîðèòì ìåòîäà ïîñëåäîâàòåëüíûõ ïðèáëèæåíèé äëÿ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ // Æóðíàë âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è
ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêè. 1972. Ò. 12. 1. Ñ. 1434.
[46] Êðûëîâ È. À., ×åðíîóñüêî Ô. Ë. Î ìåòîäå ïîñëåäîâàòåëüíûõ ïðèáëèæåíèé äëÿ
ðåøåíèÿ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ // Æóðíàë âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è
ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêè. 1962. Ò. 2. 6. Ñ. 11321139.
[47] Êóçíåöîâ À. Ã., ×åðíîóñüêî Ô. Ë. Îá îïòèìàëüíîì óïðàâëåíèè, ìèíèìèçèðóþùåì
ýêñòðåìóì ôóíêöèè ôàçîâûõ êîîðäèíàò. Êèáåðíåòèêà. 1968. 3. Ñ. 5055.
[48] Êóñðàåâ À. Ã., Êóòàòåëàäçå Ñ. Ñ. Ñóáäèôôåðåíöèàëû. Òåîðèÿ è ïðèëîæåíèÿ. ×. 1.
Íîâîñèáèðñê: Èçäâî Èíòà ìàòåìàòèêè, 2002. 380 ñ.
[49] Êóñðàåâ À. Ã., Êóòàòåëàäçå Ñ. Ñ. Ñóáäèôôåðåíöèàëû. Òåîðèÿ è ïðèëîæåíèÿ. ×. 2.
Íîâîñèáèðñê: Èçäâî Èíòà ìàòåìàòèêè, 2003. 413 ñ.
[50] Ìîèñååâ Í. Í. Ýëåìåíòû òåîðèè îïòèìàëüíûõ ñèñòåì. Ì.: Íàóêà, 1975. 528 ñ.
[51] Íóðìèíñêèé Å. À. Î íåïðåðûâíîñòè ε-ñóáãðàäèåíòíûõ îòîáðàæåíèé // Êèáåðíåòèêà,
1977. 5. Ñ. 148149.
89
[52] Îáåí Æ.-Ï., Ýêëàíä È. Ïðèêëàäíîé íåëèíåéíûé àíàëèç: ïåð. ñ àíãë. Ì.: Ìèð, 1988.
512 ñ.
[53] Îðëîâ Â. Ñ., Ïîëÿê Á. Ò., Ðåáðèé Â. À., Òðåòüÿêîâ H. Â. Îïûò ðåøåíèÿ çàäà÷
îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ.  ñá. ¾Âû÷èñë. ìåòîäû è ïðîãðàììèð.¿. Âûï. 9. 1967. Ñ. 179
192.
[54] Îõîöèìñêèé Ä. Å. Ê òåîðèè äâèæåíèÿ ðàêåò // Ïðèêë. ìàò. è ìåõ., 1946. Ò. 10.
Âûï. 2. Ñ. 251272.
[55] Ïîíòðÿãèí Ë. Ñ, Áîëòÿíñêèé Â. Ã., Ãàìêðåëèäçå P. Â., Ìèùåíêî Å. Ô. Ìàòåìàòè÷åñêàÿ òåîðèÿ îïòèìàëüíûõ ïðîöåññîâ. Ì.: Íàóêà, 1969. 384 ñ.
[56] Ïîëÿêîâà Ë. Í. Ìèíèìèçàöèÿ ôóíêöèè ìàêñèìóìà ñèëüíî âûïóêëûõ ôóíêöèé ñ ïîñòîÿííûì øàãîì // Âåñòí. Ñ.-Ïåòåðá. óí-òà. Ñåð. 1: Ìàòåìàòèêà, ìåõàíèêà, àñòðîíîìèÿ.
1998. Âûï. 4. Ñ. 5963.
[57] Ïîëÿêîâà Ë. Í. Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà êâàçèäèôôåðåíöèðóåìûõ ôóíêöèé // Âåñòíèê Ëåíèíãðàäñêîãî óíèâåðñèòåòà, 1980. 13. Ñ. 5762.
[58] Ïøåíè÷íûé Á. Í. Âûïóêëûé àíàëèç è ýêñòðåìàëüíûå çàäà÷è. Ì.: Íàóêà, 1980. 320 ñ.
[59] Ïøåíè÷íûé Á. Í. Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà. Ì.: Íàóêà, 1969. 151 ñ.
[60] Ïøåíè÷íûé Á. Í., Äàíèëèí Þ. Ì. ×èñëåííûå ìåòîäû â ýêñòðåìàëüíûõ çàäà÷àõ.
Ì.: Íàóêà. 1976. 192 ñ.
[61] Ðîêàôåëëàð Ð. Âûïóêëûé àíàëèç. Ì.: Ìèð, 1973. 472 ñ.
[62] Òàìàñÿí Ã. Ø. Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû â âàðèàöèîííîé çàäà÷å ñî ñâîáîäíûìè êîíöàìè
// Âåñòí. Ñ.-Ïåòåðá. óí-òà. Ñåð. 10: Ïðèêëàäíàÿ ìàòåìàòèêà, èíôîðìàòèêà, ïðîöåññû
óïðàâëåíèÿ. 2009. Âûï. 4. Ñ. 224230.
[63] Òàìàñÿí Ã. Ø. Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû ðåøåíèÿ çàäà÷è Êîøè // Âåñòí. Ñ.-Ïåòåðá. óíòà. Ñåð. 10: Ïðèêëàäíàÿ ìàòåìàòèêà, èíôîðìàòèêà, ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ. 2009. Âûï. 4.
Ñ. 224230.
[64] Òàìàñÿí Ã. Ø. Ìåòîä òî÷íûõ øòðàôîâ â âàðèàöèîííîé çàäà÷å ñ îòêëîíÿþùèìñÿ àðãóìåíòîì // Âåñòí. Ñ.-Ïåòåðá. óí-òà. Ñåð. 10: Ïðèêëàäíàÿ ìàòåìàòèêà, èíôîðìàòèêà,
ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ. 2003. 2. Ñ. 6675.
90
[65] Òàìàñÿí Ã. Ø. ×èñëåííûå ìåòîäû â çàäà÷àõ âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ äëÿ ôóíêöèîíàëîâ, çàâèñÿùèõ îò ïðîèçâîäíûõ âûñøåãî ïîðÿäêà // Ïðîáëåìû ìàòåìàòè÷åñêîãî
àíàëèçà. 2012. Âûï. 67. Ñ. 113132.
[66] Ôîìèíûõ À. Â. Ãðàäèåíòíûå ìåòîäû ðåøåíèÿ çàäà÷è Êîøè äëÿ íåëèíåéíîé ñèñòåìû
ÎÄÓ // Èçâ. Ñàðàò. óí-òà. Íîâ. ñåð. Ñåð. Ìàòåìàòèêà. Ìåõàíèêà. Èíôîðìàòèêà. 2014.
Âûï. 3. Ñ. 311316.
[67] Ôîìèíûõ À. Â. Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ìèíèìóìà ïîëèíîìà îò èíòåãðàëüíûõ ôóíêöèîíàëîâ // Âåñòíèê ÑàíêòÏåòåðáóðãñêîãî óíèâåðñèòåòà. Ñåðèÿ 10. Ïðèêëàäíàÿ ìàòåìàòèêà. Èíôîðìàòèêà. Ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ. 2015. Âûï. 2. Ñ. 93107.
[68] Ôîìèíûõ À. Â., Êàðåëèí Â. Â. Òî÷íûå øòðàôû â çàäà÷å ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî
ðåøåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíîãî âêëþ÷åíèÿ // Òðóäû Èíñòèòóòà ìàòåìàòèêè è ìåõàíèêè
ÓðÎ ÐÀÍ. 2015. T. 21. 3. Ñ. 153163.
[69] Ôîìèíûõ À. Â. Ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà â çàäà÷å ïîñòðîåíèÿ ïðîãðàììíîãî óïðàâëåíèÿ // Âåñòíèê ÑàíêòÏåòåðáóðãñêîãî óíèâåðñèòåòà. Ñåðèÿ 10. Ïðèêëàäíàÿ ìàòåìàòèêà. Èíôîðìàòèêà. Ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ. 2016. Âûï. 1. (ïðèíÿòî ê
ïå÷àòè)
[70] Ôîìèíûõ À. Â. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà ê çàäà÷å ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ // Óñòîé÷èâîñòü è ïðîöåññû óïðàâëåíèÿ. Ìàòåðèàëû
ìåæäóíàðîäíîé êîíôåðåíöèè, ïîñâÿù¼ííîé 85-ëåòèþ ñî äíÿ ðîæäåíèÿ ïðîôåññîðà,
÷ë.-êîðð. ÐÀÍ Â. È. Çóáîâà, 2015. Ñ. 557558.
[71] Ôîìèíûõ À. Â. Òî÷íûå øòðàôû â çàäà÷å ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî ðåøåíèÿ äèôôåðåíöèàëüíîãî âêëþ÷åíèÿ / Òåçèñû äîêëàäîâ XVI Áàéêàëüñêîé ìåæäóíàðîäíîé øêîëûñåìèíàðà ¾Ìåòîäû îïòèìèçàöèè è èõ ïðèëîæåíèÿ¿. 2014. Ñ. 136.
[72] Ôîìèíûõ À. Â. Ìåòîä ãèïîäèôôåðåíöèàëüíîãî ñïóñêà â çàäà÷å ïîñòðîåíèÿ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ / XV Âñåðîññèéñêàÿ êîíôåðåíöèÿ ¾Ìàòåìàòè÷åñêîå ïðîãðàììèðîâàíèå è ïðèëîæåíèÿ¿. 2015. Ñ. 228229.
[73] Øàòðîâñêèé Ë. È. Îá îäíîì ÷èñëåííîì ìåòîäå ðåøåíèÿ çàäà÷ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ // Æóðíàë âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêè. 1962. Ò. 2.
3. Ñ. 488491.
91
[74] Øîð Í. Ç. Î êëàññå ïî÷òè-äèôôåðåíöèðóåìûõ ôóíêöèé è îäíîì ìåòîäå ìèíèìèçàöèè
ôóíêöèé ýòîãî êëàññà // Êèáåðíåòèêà. 1972. 4. Ñ. 6570.
[75] Øîð Í. Ç. Ìåòîäû ìèíèìèçàöèè íåäèôôåðåíöèðóåìûõ ôóíêöèé è èõ ïðèëîæåíèÿ.
Êèåâ: Íàóêîâà äóìêà, 1979. 200 ñ.
[76] Ýíååâ Ò. M. O ïðèìåíåíèè ãðàäèåíòíîãî ìåòîäà â çàäà÷àõ îïòèìàëüíîãî óïðàâëåíèÿ
// Êîñìè÷åñêèå èññëåäîâàíèÿ. 1966. Ò. 4. 5. Ñ. 651669.
[77] Ýððîóñìèò Ä., Ïëåéñ Ê. Îáûêíîâåííûå äèôôåðåíöèàëüíûå óðàâíåíèÿ. Êà÷åñòâåííàÿ òåîðèÿ ñ ïðèëîæåíèÿìè. Ïåð. ñ àíãë. Ì.: Ìèð, 1986. 243 c.
[78] Andersen A., Chistiakov S., Vishnevskii V. A Game-theoretic Model of a Regressive
Prot Tax // Applied Mathematical Sciences, 2015. Vol. 9, no. 85, pp. 42014209.
[79] Bellmore M., Greenberg H. J., Jarvis J. J., Generalized Penalty-Function Concepts
in Mathematical Optimization // Operations Research, 1970. Vol. 18, iss. 2. pp. 229252.
[80] Campbell J. Í., Moore W. E., Wolf Í. A general method for selection and optimization
of trajectories // Methods astrodynam. and celestial Mech. New YorkLondon, Acad. Press,
1966, pp. 355375.
[81] Clarke F. H., Ledyaev Y. S., Stern R. J., Wolenski P. R. Nonsmooth analysis and
Control Theory. New York: SpringerVerlag, 1998. 278 p.
[82] Demyanov V. F. Continuous generalized gradients for nonsmooth functions / Lecture
Notes in Economics and Mathematical Systems, vol. 304; A. Kurzhanski, K. Neumann and
D. Pallaschke, eds. Berlin: Springer, 1988, pp. 2427.
[83] Demyanov V. F. On codierentiable functions // Vestn. Leningr. Univ., Math. 1988.
Vol. 21. pp. 2733.
[84] Demyanov V. F., Gianessi F., Karelin V. V. Optimal control problems via exact
penalty functions // J. Glob. Optim. 1998. Vol. 12. no. 3. pp. 215223.
[85] Demyanov V. F., Rubinov A. M. On quasidierentiable mappings // Math.
Operationsforsch. Statist. Ser. Optim. 1983. Vol. 14. pp. 321.
[86] Demyanov V. F., Stavroulakis G., Polyakova L. N., Panagiotopoulos P. D.
Quasidierentiability and nonsmooth modelling in mechanics, engineering and economics.
Dordrecht, London: Kluwer Academic Publishers, 1996. 348 p.
92
[87] Demyanov V. F., Tamasyan G. Sh. Exact penalty functions in isoperimetric problems
// Optimization. 2010. Vol. 60. no. 8. pp. 1-25.
[88] Evans J. P., Gould F. J., Tolle J. W. Exact Penalty Functions in Nonlinear
Programming // Mathematical Programming, 1973. Vol. 4, iss. 1. pp. 7297.
[89] Fominyh A. V. The subdierential descent method in the optimal control problem //
The XLVI annual international conference on Control Processes and Stability (CPS'15).
Abstracts St. Petersburg: Publishing House Fedorova G.V. 2015. Vol. 2(18). P. 90-95.
[90] Fominyh A. V., Karelin V. V., Polyakova L. N. Exact Penalties and Dierential
Inclusions // Electron. J. Di. Equ., vol. 2015 (2015), no. 309, pp. 113.
[91] Fominyh A. V. Application of the Hypodierential Descent Method to the Problem of
Constructing an Optimal Control // IEEE 2015 International Conference ¾Stability and
Control Processes¿ in Memory of V.I. Zubov (SCP), pp. 560563.
[92] Glad T., Polak E. A multiplier method with automatic limitation of penalty growth //
Mathematical Programming, 1979. Vol. 17, iss. 1. pp. 140155.
[93] Hales Ê. À., Flugge-Lotz I., Lange Â. D. Minimum-fuel attitude control of a spacecraft
by an extended method of steepest-descent // Internat. J. Non-Linear Mech., 1968. Vol. 3.
no. 4. pp. 413436.
[94] Hussu A. The conjugate-gradient method for optimal control problems with undetermined
nal time // Internal. J. Control, 1972. Vol. 15. no. 1. pp. 7982.
[95] Han S. P., Mangasarian O. L. Exact penalty functions in nonlinear programming //
Mathematical Programming, 1979. Vol. 17, iss. 1. pp. 251269.
[96] Huyer W., Neumaier A. A New Exact Penalty function // SIAM J. Optim., 2003. Vol. 13,
iss. 4. pp. 11411158.
[97] Ioe A. D. Nonsmooth Analysis: dierential calculus of nondierentiable functions // Tran.
Amer. Math. Soc. 1981. Vol. 266. no. 1. pp. 155.
[98] Ioe A. D., Rockafellar R. T. The Euler and Weierstrass conditions for nonsmooth
variational problems // Calculus of Variations and Partial Dierential Equations. 1996.
Vol. 4. no. 1. pp. 5987.
93
[99] Isayev V. K., Sonin V. V. Survey of methods for the numerical solutions of variational
problems of ight dynamics // Post Apollo Space Explorat. Part 2. Washington, D. C. Amer.
Astronaut. Soc., 1966. pp. 11441171.
[100] Kelly H. J. Gradient theory of optimal ight paths // ARS Journal, 1960. Vol. 30. no. 10,
pp. 947954.
[101] Kelly H. J. Method of gradients // Optimiz. techn. applic. aerospace syst., NewYork
London, Acad. Press, 1962, pp. 205254.
[102] Kelly H. J., Êîpp R. E., Moyer H. G. Successive approximation techniques for
trajectory optimization. Proc. of the Symp. on Vehicle System Optimization, N. Y., 1961.
[103] Kopp R. Å., McGill R. Several trajectory optimization techniques Part I. Discussion //
Comput. Methods Optimizat. Problems, New YorkLondon, Acad. Press, 1964, pp. 65-89.
[104] Kumar V. A control averaging technique for solving a class of singular optimal control
problems // Internat. J: Control. 1976. Vol. 23. no. 3. pp. 361380.
[105] Leibniz G. Nova methodus pro maximis et minimis, itemque tangentibus quae nec fractas,
nec irrationales quantitates moratur, et singulare pro illis calculi genus // Acta Eruditorum,
1684. October issue. s. 467-473 + Tab. xii.
[106] Levine M. D. Trajectory optimization using the NewtonRaphson method // Automatica,
1966. Vol. 3. no. 34. pp. 203217.
[107] Lusty A. H., Miele A. Bodies of Maximum Lift-to-Drag Ratio in Hypersonic Flow //
AIAA Journal. 1966. Vol. 4. no. 12. pp. 21302135.
[108] McGill R. Optimal control, inequality state constraints and the generalized Newton
Raphson algorithm // J. Soc. Industr. and Appl. Math., 1965. A3. no. 2. pp. 1291298.
[109] Miele A. Drag Minimization as the Extremization of Products of Powers of Integrals //
Rice University, Aero-Astronautics Report 31, 1967. 31 p.
[110] Miele A. The Extremization of Products of Powers of Functionals and Its Application to
Aerodynamics // Astronautica Acta. 1966. Vol. 12. no. 1. pp. 141.
[111] Miele A., Hull D. G. On the Minimization of the Product of the Powers of Several
Integrals // J. Optim. Theory Appl. 1967. Vol. 1. no. 1. pp. 7082.
94
[112] Mitter S. K. Successive approximation methods for the solution of optimal control
problems // Automatica, 1966. Vol. 3. no. 3. pp. 136149.
[113] Newton Is. Tractatus de quadratura curvarum. Uppsala, 1762. 112 s.
[114] Di Pillo G., Facchinei F. Exact Barrier Function Methods for Lipschitz Programs //
Appl. Math. Optim., 1995. Vol. 32, iss. 1. pp. 131.
[115] Di Pillo, G., Grippo L. On the Exactness of a Class of Nondierentiable Penalty Functions
// J. Optim. Theory Appl., 1988. Vol. 57, iss. 3. pp. 399410.
[116] Di Pillo, G., Grippo L. Exact Penalty Functions in Constrained Optimization // SIAM
J. Control Optim., 1989. Vol. 27. pp. 13331360.
[117] Polyakova L. Quasidierentiable optimization: Exact penalty methods // Encyclopedia
of optimization / Ed. C. A. Floudas, P. M. Pardalos. Doordrecht: Kluwer Academic Publ.
2001. Vol. 4. pp. 478483.
[118] Polyakova L. N., Stavroulakis G. E. Dierence convex optimization techniques in
nonsmooth computational mechanics // Optimization Methods & Software. 1996. Vol. 7.
pp. 5781.
[119] Sidar M. An iterative algorithm for optimum control problems // Internal J. NonLinear
Mech., 1968. Vol. 3. no. 1. pp. 16.
[120] Tripathi S. S., Narendra Ê. S. Optimization using conjugate gradient methods // IEEE
Trans. Automat. Control, 1970. Vol. 15. no. 2. pp. 268270.
[121] Truemper K. Note on Finite Convergence of Exterior Penalty Functions // Mgt. Sci., 1975.
Vol. 21. no. 5. pp. 600606.
[122] Wang C., Ma C., Zhou J. A New Class of Exact Penalty Functions and Penalty
Algorithms // J. Glob. Optim., 2014. Vol. 58, iss. 1. pp. 5173.
[123] Zangwill W. I. Non-Linear Programming Via Penalty Functions // Mgt. Sci., 1967. Vol. 13.
no. 5. pp. 344358.
95
Отзывы:
Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв