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约束优化进化算法

约束优化进化算法

简介

进化算法是一种智能的全局优化方法,它对函数本身性质要求非常低,往往只要求目标函数值是可以计算的,不要求它具有连续性、可微性及其它解析性质,同时它又是基于群体进化的算法,因此可采用进化算法解决约束优化问题。用进化算法解决约束优化问题的关键在于如何进行有效的约束处理,即如何有效均衡在可行区域与不可行区域的搜索。

常见的用于求解约束优化问题的进化算法有罚函数法、遗传算法、进化策略、进化规划、蚁群算法和粒子群算法等。

与传统方法相比的优势

(1) 在一般情况下,进化算法能否收敛到全局最优解与初始群体无关,而传统优化方法则依赖于初始解;

(2) 进化算法具有全局搜索能力,而很多传统优化方法往往会陷入局部最优;

(3) 进化算法的适用范围广,能有效地解决不同类型的问题,而传统优化方法在设计时往往就只能解诀某一类型的问题。

存在的不足

(1) 进化算法中的参数,如群体规模、进化代数、重组概率、变异概率等,往往需要根据经验设定,且在一定程度上与问题相关;

(2) 进化算法的收敛问题,进化算法求解实际问题时的收敛性判定缺乏理论指导。 2100433B

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约束优化传统方法

传统方法的实现如牛顿法、梯度法等,其基本思想就是将动态的转化为静态的,将多目标转化为单目标,由点及面的搜索思想。

传统方法存在如下问题:

(1) 传统的基于梯度的优化方法(如可行方向法、约束变尺度法)对约束条件的处理往往是先寻找一个可行且下降的方向,然后沿此方向进行线性搜索,并重复上述步骤以得到问题的最优解,然而该最优解往往是局部最优的。

(2) 对于许多实际的约束优化问题,一方面,由于目标函数往往形式复杂,不仅问题的维数比较高,而且优化曲面中存在多个极小点,这使得传统的基于梯度的算法难以奏效。另一方面,实际问题中目标函数往往是不连续或不可微,有些问题目标函数甚至没有解析表达式,传统算法难以解决这类问题。

(3) 由于约束的存在,使得决策变量的可行搜索空间不规则(如非凸,不连通等),从而增加了搜索到最优解的难度,有时甚至很难找到可行解。

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约束优化定义

不失一般性,约束优化问题可以描述为如下形式:

其中 x 是决策变量,f( x )是目标函数,

是不等式约束,
是等式约束,D={
|
}是搜索空间, D中所有满足约束条件的解构成可行域S,即 S={x|
},可行域中的点称为可行解。对于不等式约束
,若在 x 点处满足
,则称
在x点处是积极约束。等式约束
在所有可行解处是积极约束。

若对某一

,存在常数
,使得对
{x|
},有
,则称
为局部最优解;若对一切
都有
,则称
为全局最优解。求解最优化问题NLP,就是要求目标函数f(x)在约束条件下的极小点,即求出其全局最优解,但在一般情况下,往往只能求出它的一个局部最优解。

当f(x)为线性函数时称为线性规划问题,反之如果是非线性则为非线性规划问题。当约束问题包含一个目标函数时,称为单目标约束优化问题;当约束问题包含多个目标函数时,称为多目标约束优化问题。

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约束优化进化算法常见问题

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约束优化进化算法文献

混沌思维进化算法在八木天线优化设计的应用 混沌思维进化算法在八木天线优化设计的应用

混沌思维进化算法在八木天线优化设计的应用

格式:pdf

大小:2.2MB

页数: 5页

混沌思维进化算法将混沌搜索和思维进化算法相结合,有效地解决了思维进化算法中初始种群产生的盲目随机性和冗余性以及现有搜索方式易陷入局部最优的问题。该算法与标准思维进化算法相比,能有效地避免局部收敛,具有更快的收敛速度。把混沌思维进化算法应用到八木天线的优化设计中。通过在HFSS和MATLAB中的建模和优化设计,得出具有优良性能的天线结构,也验证了混沌思维进化算法在天线工程领域具有较高的应用价值。

基于免疫进化算法的粒子群算法在梯级水库优化调度中的应用 基于免疫进化算法的粒子群算法在梯级水库优化调度中的应用

基于免疫进化算法的粒子群算法在梯级水库优化调度中的应用

格式:pdf

大小:2.2MB

页数: 6页

针对高维、复杂的梯级水库优化调度在求解时易出现\"维数灾\"或陷入局部最优解的问题,本文提出了基于免疫进化算法的粒子群优化算法,该算法充分利用了免疫进化算法的全局搜索特性和粒子群算法的局部搜索能力,克服了粒子群寻优中对初始种群的依赖和易陷入局部最优的不足。通过实例计算表明,应用该算法求解梯级水库优化调度问题,结果可靠、合理,计算效率高,从而为求解高维,复杂的梯级水库优化调度提供了新的思路。

约束最优化问题约束最优化问题的解法

约束最优化问题就是求目标函数

满足约束条件
的极值问题。因此,约束最优化,也称条件极值 。

约束最优化问题的解法有两种:

约束最优化问题化约束最优化问题为无约束最优化问题

例1 最大面积 设长方形的长、宽之和等于

问长方形的长、宽如何设计,才能使面积最大"para" label-module="para">

解: 这就是一个约束最优化问题:设长方形的长为x,宽为y,求目标函数A=xy在条件x y=a之下的最大值。

由于从约束条件x y=a中容易解出y=a-x,代入目标函数

问题归结为求一元函数A(x)的极值。

,得驻点
。这是实际问题,最值一定存在,则
就是最大值点。因此,当
时,长方形面积最大,其最大值为

从上述例子可以看出化约束最优化问题为无约束最优化问题的思路:从约束条件

中解出
并将它代人目标函数
于是,问题就转化为求一元函数

的无约束最优化问题。

但是,这种方法有局限性,因为有时从约束条件

中解出y或x并非易事。因此,下面介绍另一种方法 。

约束最优化问题拉格朗日乘数法

这一方法的思路是:把求约束最优化问题转化为求无约束最优化问题,看它应该满足什么样的条件"para" label-module="para">

是函数
在约束条件
下的约束最优化问题的极值点。如果函数
在点(x,y)的邻域内有连续偏微商,且
不全为0(不妨设
≠0),则根据费马引理,一元函数
在点x的微商

由隐微分法,有

是由
所确定,所以

代入上式,消去
,得

则有

称满足此方程组(1)的点(x,y)为可能极值点。

为了便于记忆,并能容易地写出方程组(1),我们构造一个函数

为拉格朗日函数。则方程组(1)可以记为

于是,我们把用拉格朗日乘数法求解约束最优化问题的步骤归纳如下:

①构造拉格朗日函数

称为拉格朗日乘数;

②解方程组

得点(x,y)为可能极值点;

③根据实际问题的性质,在可能极值点处求极值 。2100433B

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约束最优化问题基本介绍

约束最优化问题(constrained optimization problem)是指具有约束条件的非线性规划问题。极小化问题的一般形式为

仅有等式约束条件的约束最优化问题,可采用消元法、拉格朗日乘子法或罚函数法,将其化为无约束最优化问题求解;对于含有等式约束和不等式约束条件的最优化问题,可采用以下方法:将不等式约束化为等式约束;将约束问题化为无约束问题;将非线性规划问题用线性逼近的方法来近似求解;在可行域中沿某方向作一维搜索,寻求最优解 。

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约束

生活是受约束的梦。作为一个正常的成年人,我们知道现实不会给我们提供绝对的安全,也不会给我们提供无条件的爱。当我们在扮演朋友、配偶和父母等不同角色的时候,我们最终会懂得每一种人类关系都是受到限制的。

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