Nonlinear Opt.: Quadratic Problems 5: Unterschied zwischen den Versionen

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The maximization problem <math>f(X)=c^T - \frac{1}{2} x^T Cx</math> (minimization problem <math>f(X)=c^T + \frac{1}{2} x^T Cx</math>) is concave  (convex) if the symmetric matrix C is positive semidefinite.
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The maximization problem <math>f(X)=c^T - \frac{1}{2} x^T Cx</math> is concave if the symmetric matrix C is positive semidefinite.
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The minimization problem <math>f(X)=c^T + \frac{1}{2} x^T Cx</math> is convex if the symmetric matrix C is positive semidefinite.
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A symmetric nxn-matrix C is called positive semidefinite if <math>x^T Cx \geq 0</math> for all <math>x \ne 0</math> .
 
A symmetric nxn-matrix C is called positive semidefinite if <math>x^T Cx \geq 0</math> for all <math>x \ne 0</math> .
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For the quadratic maximization problem (and minimization problem) the Hesse Matrix is <math>H(x)=-C</math> <math>(H(x)=C)</math>.
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For a quadratic maximization problem the Hesse Matrix is <math>H(x)=-C</math>.
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For a quadratic minimization problem the Hesse Matrix is <math>H(x)=C</math>.
  
 
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The main minors are positive => matrix = positive definite, consequently the objective function is concave.
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The main minors are all positive => matrix = positive semidefinite, consequently the objective function is concave.
  
 
=> The quadratic optimization problem is solvable by the Wolfe`s algorithm.
 
=> The quadratic optimization problem is solvable by the Wolfe`s algorithm.
 
  
 
== References: ==
 
== References: ==

Aktuelle Version vom 14. August 2013, 00:26 Uhr

Nonlinear Optimization: Quadratic problem

Theory:


In this section we focus on quadratic objective functions with linear restrictions. We do not consider any solution method but proof necessary conditions for solving such qudratic problems. A quadratic objective function consists of linear terms and quadratic terms and/or for some or all Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): i \ne j


General form of a Quadratic Problem:

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden


Depending on whether we have a maximization or minimization problem we have to transform the quadratic problem into one of these two theorems:


Maximization problem:

Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): f(X)=c^T - \frac{1}{2} x^T Cx


Minimization problem:


Now we have to proof the objective function for concavity/convexity

Concavity of the objective function is a necessary condition for solving a quadratic maximization problem.

Convexity of the objective function is a necessary condition for solving a quadratic minimization problem.

Are these conditions fullfilled the quadratic problem can be solved by any solution method like the Wolfe`s algorithm.


The maximization problem Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): f(X)=c^T - \frac{1}{2} x^T Cx

is concave if the symmetric matrix C is positive semidefinite.

The minimization problem is convex if the symmetric matrix C is positive semidefinite.


A symmetric nxn-matrix C is called positive semidefinite if Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): x^T Cx \geq 0

for all Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): x \ne 0
.

The symmetric matrix C can also be determined by the Hesse-Matrix

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden

For a quadratic maximization problem the Hesse Matrix is Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): H(x)=-C .

For a quadratic minimization problem the Hesse Matrix is .

Example:

We have a quadratic optimization problem with an objective function looking like this:

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden

Now we transform it into the quadratic form Fehler beim Parsen (http://mathoid.testme.wmflabs.org Serverantwort ist ungültiges JSON.): f(X)=c^T - \frac{1}{2} x^T Cx


Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden


Now we have to proof that the symmetric matrix C is concave:

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden

The matrix C is concave if the main minors are bigger or equal zero.

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes: Die Miniaturansicht konnte nicht am vorgesehenen Ort gespeichert werden


The main minors are all positive => matrix = positive semidefinite, consequently the objective function is concave.

=> The quadratic optimization problem is solvable by the Wolfe`s algorithm.

References:

Domschke, Wolfgang, Einführung in Operations Research, Berlin 2005

Domschke, Wolfgang, Übungen und Fallbeispiele zum Operations Research, Berlin 2005

Skript Prof. Wendt Operations Research