Кіріспе
Математикалық оңтайландыру (немесе оптимизация) немесе математикалық бағдарламалау – белгілі бір өлшемге сәйкес, қолда бар нұсқалардың ішіндегі ең жақсы элементті таңдау. Ол әдетте екі салаға бөлінеді: дискретті оңтайландыру және үздіксіз оңтайландыру. Оңтайландыру мәселелері компьютерлік ғылым мен инженериядан бастап, операциялық зерттеулер мен экономикаға дейінгі сандық ғылымдардың барлық салаларында кездеседі, ал оларды шешу әдістерін әзірлеу ғасырлар бойы математикада қызығушылық тудырып келеді. Жалпы алғанда, оңтайландыру мәселесі рұқсат етілген жиыннан кіріс мәндерін жүйелі түрде таңдау және функцияның мәнін есептеу арқылы нақты функцияны барынша арттыру немесе азайтудан тұрады. Оңтайландыру теориясы мен техникаларын басқа да түсініктерге қолдану – қолданбалы математиканың кең саласын құрайды.
Mathematical optimization (alternatively spelled optimisation) or mathematical programming is the selection of a best element, with regard to some criterion, from some set of available alternatives. It is generally divided into two subfields: discrete optimization and continuous optimization. Optimization problems arise in all quantitative disciplines from computer science and engineering to operations research and economics, and the development of solution methods has been of interest in mathematics for centuries. In the more general approach, an optimization problem consists of maximizing or minimizing a real function by systematically choosing input values from within an allowed set and computing the value of the function. The generalization of optimization theory and techniques to other formulations constitutes a large area of applied mathematics.
Нөмірлік
Оптимизациялау мәселелері көбінесе арнайы белгілермен жазылады. Мысалы:
Көп мақсатты оңтайландыру
Оптимизациялау мәселесіне бірнеше мақсат қосу күрделілікті арттырады. Мысалы, конструкциялық дизайнды оңтайландыру үшін, жеңіл әрі берік дизайн қажет болады. Егер екі мақсат қақтығысса, компромисс жасау қажет. Ең жеңіл дизайн, ең берік дизайн және салмақ пен беріктік арасындағы белгілі бір шарттылықты ұсынатын шексіз көптеген дизайн болуы мүмкін. Бір критерийді екіншісінің есебінен жақсартатын дизайндар жиынтығы Парето жиынтығы деп аталады. Ең жақсы дизайнның салмағы мен беріктігін салыстыру арқылы құрылған қисық Парето шекарасы деп аталады. Егер басқа дизайн одан жақсы болмаса, онда ол "Парето оптималды" (немесе "Парето тиімді", Парето жиынтығында) деп есептеледі: егер ол кейбір аспектілерде басқа дизайннан нашаррақ болса және ешқандай аспектіде артықшылығы болмаса, онда ол басым болып, Парето оптималды емес. "Парето оптималды" шешімдердің арасынан "көңілге қосымша" шешімді таңдау шешім қабылдаушының құзырында болады. Басқаша айтқанда, мәселені көп мақсатты оптимизация ретінде қою, кейбір ақпараттың жетіспейтінін көрсетеді: қажетті мақсаттар белгілі, бірақ олардың өзара үйлесімділігі бағаланбаған. Кейбір жағдайларда, жетіспейтін ақпаратты шешім қабылдаушымен өзара әрекеттесу арқылы алуға болады. Көп мақсатты оптимизация мәселелері векторлық оптимизация мәселелеріне одан әрі жалпыланды, онда (ішінара) реттеу енді Парето реттеуімен анықталмайды.
Көп модульді немесе жалпы оңтайландыру
Оптимизациялау мәселелері көбінесе көп түрлі болып келеді, яғни олардың бірнеше жақсы шешімдері бар. Бәрі де жаһандық тұрғыдан жақсы болуы мүмкін (бірдей құн функциясы мәнімен) немесе жаһандық және жергілікті жақсы шешімдердің араласуы болуы мүмкін. Көптеген шешімдердің барлығын (немесе кем дегенде біразын) табу – көп түрлі оптимизатордың мақсаты. Классикалық оптимизациялау техникалары, олардың итеративті тәсіліне байланысты, бірнеше шешімдерді алу үшін қолданылғанда тиімді нәтиже бермейді, себебі алгоритмнің бірнеше рет іске қосылуында әртүрлі бастапқы нүктелер қолданылғанның өзінде әртүрлі шешімдер алынатынына кепілдік жоқ. Жаһандық оптимизациялау мәселелеріне, онда көптеген жергілікті экстремумдар болуы мүмкін, қатысты кең таралған тәсілдерге эволюциялық алгоритмдер, Байес оптимизациясы және симуляцияланған қайнату жатады.
Жүру мүмкіндігі мәселесі
Қанағаттандыру мәселесі, сондай-ақ орындалу мүмкіндігі мәселесі деп те аталады, бұл мақсаттық мәнді ескермей, кез келген орындалатын шешімді табу мәселесі. Бұл математикалық оптимизацияның ерекше жағдайы ретінде қарастырылуы мүмкін, онда мақсаттық мән барлық шешімдер үшін бірдей, демек кез келген шешім оңтайлы болып саналады. Көптеген оптимизация алгоритмдері орындалатын нүктеден бастауды қажет етеді. Мұндай нүктеге жетудің бір жолы – бос айнымалыны пайдаланып, орындалу шарттарын жеңілдету; жеткілікті бос айнымалы болған жағдайда кез келген бастапқы нүкте орындалатын болады. Содан кейін, бос айнымалыны нөлге немесе теріс мәнге дейін азайту керек.
Тіршілік ету
Карл Вейерштрастың экстремалды мән теоремасы бойынша, тығыз жиынтықтағы үздіксіз нақты мәнді функция ең жоғары және ең төменгі мәндеріне жетеді. Көбірек айтқанда, тығыз жиынның төменгі жартылай үздіксіз функциясы өзінің ең төменгі мәніне жетеді; ал тығыз жиынның жоғарғы жартылай үздіксіз функциясы өзінің ең жоғары мәніне жетеді.
Оптималдылыққа қажетті шарттар
Ферма теоремаларының бірінде айтылғандай, шектелмеген мәселелердің оптималдықтары тұрақ нүктелерде табылады, онда мақсатты функцияның бірінші туындысы немесе градиенті нөлге тең (бірінші туынды тестін қараңыз). Көбірек айтқанда, олар мақсатты функцияның бірінші туындысы немесе градиенті нөлге тең немесе анықталмаған, немесе таңдау жиынтығының шекарасында болатын сындық нүктелерде де кездесуі мүмкін. Ішкі оптимумда бірінші туындысы(лары) нөлге тең болатын теңдеу (немесе теңдеулер жиынтығы) "бірінші реттік шарт" немесе бірінші реттік шарттар жиынтығы деп аталады. Теңдік шектеулері бар мәселелердің оптималдықтары Лагранж көбейтуші әдісімен анықталады. Теңдік және/немесе теңсіздік шектеулері бар мәселелердің оптималдықтарын табу үшін "Каруш–Кун–Таккер шарттары" қолданылады.
Оптималдылыққа жеткілікті жағдайлар
Бірінші туынды сынағы экстремум нүктелері болу мүмкін нүктелерді анықтаса, бұл сынақ минимум нүктесін максимум нүктесінен немесе екеуі де емес нүктелерден ажырата алмайды. Мақсатты функция екі рет дифференциалданатын болса, мұндай жағдайларды екінші туындыны немесе екінші туындылар матрицасын (Гессиан матрицасы деп аталады) шектеусіз есептерде, ал шектеулі есептерде мақсатты функцияның және шектеулердің екінші туындыларынан құралған шектеулі Гессиан матрицасын тексеру арқылы ажыратуға болады. Максимумдарды немесе минимумдарды басқа тұрақты нүктелерден ажырататын шарттар "екінші реттік шарттар" деп аталады (қараңыз "Екінші туынды сынағы"). Егер кандидаттық шешім бірінші реттік шарттарды орындаса, екінші реттік шарттарды орындау кем дегенде жергілікті оптималдыққа қол жеткізу үшін жеткілікті.
Оптиманың сезімталдығы мен сабақтастығы
Конверт теоремасы негізгі параметр өзгерген кезде оңтайлы шешімнің мәні қалай өзгеретінін сипаттайды. Осы өзгерісті есептеу процесі салыстырмалы статика деп аталады. Клод Берждің (1963) максималдық теоремасы негізгі параметрлерге байланысты оңтайлы шешімнің үздіксіздігін сипаттайды.
Оптимизациялауды есептеу
Екі рет дифференциалданатын функциялары бар шектелмеген мәселелер үшін, кейбір сындық нүктелерді мақсатты функцияның градиенті нөлге тең болатын нүктелерді (яғни, стационарлық нүктелерді) таба отырып анықтауға болады. Көбінесе, нөлдік субградиент – дөңгелек функциялары және жергілікті Липшиц функциялары бар минимизациялық мәселелер үшін, жергілікті минимум табылды дегенді куәландырады, бұл нейрондық желілердегі шығын функциясын азайтуда жиі кездеседі. Оң және теріс импульс бағалауы жергілікті минимумнан қашуға және мақсатты функцияның жаһандық минимумға жуықтауға мүмкіндік береді. Бұдан әрі, Гессиан матрицасының анықтығын пайдаланып сындық нүктелерді жіктеуге болады: егер Гессиан сындық нүктеде оң анықталған болса, онда бұл нүкте жергілікті минимум болады; егер Гессиан матрицасы теріс анықталған болса, онда бұл нүкте жергілікті максимум болады; ал егер анықталмаған болса, онда бұл нүкте белгілі бір сідік нүкте болып табылады. Шектелген мәселелерді Лагранж көбейткіштерінің көмегімен шектелмеген мәселелерге түрлендіруге болады. Лагранж релаксациясы қиын шектелген мәселелерге жуық шешімдерді де ұсынуы мүмкін. Егер мақсатты функция дөңгелек функция болса, онда кез келген жергілікті минимум жаһандық минимум болады. Дөңгелек функцияларды минимизациялау үшін ішкі нүкте әдістері сияқты тиімді сандық әдістер бар.
Жаһандық конвергенция
Жалпы, егер мақсатты функция квадраттық функция болмаса, көптеген оңтайландыру әдістері итерациялардың кейбір тізбегі оңтайлы шешімге жақындасатынын қамтамасыз ету үшін басқа әдістерді пайдаланады. Жақындасуды қамтамасыз етудің алғашқы және әлі де танымал әдісі – бір өлшемде функцияны оңтайландыратын сызықтық іздеулер. Екінші, және күшейіп келе жатқан танымал әдіс – сенім аймақтарын қолдану. Сызықтық іздеулер де, сенім аймақтары да дифференциалсыз оңтайландырудың қазіргі заманғы әдістерінде қолданылады. Көбінесе, жаһандық оптимизатор жетілдірілген жергілікті оптимизаторлардан (мысалы, BFGS) әлдеқайда баяу жұмыс істейді, сондықтан тиімді жаһандық оптимизаторын құру үшін жергілікті оптимизаторын әртүрлі бастапқы нүктелерден іске қосуға болады.
Есептеулік оңтайландыру әдістері
Мәселелерді шешу үшін зерттеушілер шекті санда қадамдармен аяқталатын алгоритмдерді, немесе шешімге (кейбір белгілі проблемалар класында) жақындайтын итеративтік әдістерді, немесе кейбір проблемаларға жуықтап шешімдер бере алатын эвристикаларды қолдануы мүмкін (бірақ олардың итерациялары міндетті түрде жақындамайды).
Механика
Қатты денелер динамикасындағы (әсіресе, буынтты қатты денелер динамикасындағы) мәселелер көбінесе математикалық бағдарламалау техникаларын қажет етеді, себебі қатаң денелер динамикасын шектеулер жиынтығындағы қалыпты дифференциалдық теңдеуді шешуге талпыну ретінде қарастыруға болады; шектеулер — түрлі сызықты емес геометриялық шектеулер, мысалы, "осы екі нүкте әрқашан бірдей болуы керек", "осы бет ешқандай басқа бетке енбеуі керек" немесе "осы нүкте әрқашан осы қисықтағы бір жерде болуы керек". Сонымен қатар, жанасу күштерін есептеу мәселесі сызықтық толықтыру мәселесін шешу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін, оны QP (квадраттық бағдарламалау) мәселесі ретінде қарастыруға болады. Көптеген жобалау мәселелерін де оптимизациялық бағдарламалар түрінде бейнелеуге болады. Бұл қолданыс дизайнды оңтайландыру деп аталады. Оның бір бөлігі — инженерлік оңтайландыру, ал осы саланың тағы бір, жақында дамып келе жатқан бөлігі — көпсалалы дизайнды оңтайландыру, ол көптеген мәселелерде пайдалы болғанымен, әсіресе аэроғарыш инженерлігі мәселелеріне қолданылады. Бұл тәсіл космология мен астрофизикада да қолданылуы мүмкін.
Экономика және қаржы
Экономика агенттерді оңтайландырумен тығыз байланысты, сондықтан ықпалды анықтама экономиканы ғылым ретінде "мақсаттар мен шектеулі ресурстар арасындағы қатынас ретінде адамның мінез-құлқының зерттеуі" деп сипаттайды, сондай-ақ баламалы қолданыстарды қамтиды. Қазіргі заманғы оңтайландыру теориясы дәстүрлі оңтайландыру теориясын қамтиды, бірақ сонымен қатар ойын теориясымен және экономикалық тепе-теңдіктерді зерттеумен де байланысты. Экономикалық әдебиет журналының кодтары математикалық бағдарламалауды, оңтайландыру әдістерін және осыған байланысты тақырыптарды JEL: C61 C63 бойынша жіктейді. Микроэкономикада пайдалылықты максималдау мәселесі және оның қосарлы мәселесі, шығындарды минималдау мәселесі – экономикалық оңтайландыру мәселелері болып табылады. Олар тұрақты түрде әрекет еткен жағдайда, тұтынушылар өздерінің пайдалылығын максималдауға, ал фирмалар өздерінің пайдасын максималдауға бейім деп есептеледі. Агенттер көбінесе тәуекелге қарсы модельделеді, осылайша тәуекелден қашуға ұмтылады. Активтердің бағасы да оңтайландыру теориясын қолдана отырып модельделеді, бірақ негізгі математика статикалық оңтайландыруға емес, стохастикалық процестерді оңтайландыруға негізделген. Халықаралық сауда теориясы да ұлттар арасындағы сауда үлгілерін түсіндіру үшін оңтайландыруды пайдаланады. Портфельдерді оңтайландыру – экономикадағы көп мақсатты оңтайландырудың мысалы. 1970 жылдардан бері экономистер уақыт өте келе динамикалық шешімдерді модельдеу үшін басқару теориясын қолданып келеді. Мысалы, динамикалық іздеу модельдері еңбек нарығындағы мінез-құлықты зерттеу үшін қолданылады. Маңызды айырмашылық – детерминистік және стохастикалық модельдер арасындағы ерекшелік. Макроэкономистер жұмысшылардың, тұтынушылардың, инвесторлардың және үкіметтердің өзара байланысты оңтайландыру шешімдерінің нәтижесінде бүкіл экономиканың динамикасын сипаттайтын динамикалық стохастикалық жалпы тепе-теңдік (DSGE) модельдерін құрастырады.
Электр техникасы
Электр техникасында оптималдау әдістерінің жиі қолданылатын салаларына белсенді сүзгілерді жобалау, суперөткізгіш магниттік энергия сақтау жүйелеріндегі шашыраңқы өрісті азайту, микротолқынды құрылымдардың кеңістіктік бейнелеу арқылы жобалау, ұялы телефон антенналары, электромагниттік негіздегі жобалау кіреді. 1993 жылы кеңістіктік бейнелеу әдісінің ашылуынан бері микротолқынды компоненттер мен антенналарды электромагниттік тұрғыдан тексерілген жобалау арқылы оптималдау үшін физикалық негізделген немесе эмпирикалық алмастыру модельдері мен кеңістіктік бейнелеу әдістемелері кеңінен қолданылып келеді. Оптимизациялау әдістері қуат ағынын талдау барысында да пайдаланылады.
Азаматтық инженерлік
Оптимизация азаматтық инженерияда кеңінен қолданылады. Құрылыс басқару және көлік инженериясы – оптимизацияға аса тәуелді азаматтық инженерияның маңызды салалары. Оптимизация көмегімен шешілетін ең көп кездесетін азаматтық инженерия мәселелері: жолдарды қазу және толтыру, құрылыстар мен инфрақұрылымдардың қызмет мерзімін талдау, ресурстарды теңестіру, су ресурстарын үлестіру, жол қозғалысын басқару және кестелерді оңтайландыру.
Операциялық зерттеулер
Оптимизациялау әдістерін кеңінен пайдаланатын тағы бір сала – операцияларды зерттеу. Операцияларды зерттеу шешім қабылдауды жақсарту үшін стохастикалық модельдеу және симуляцияны да қолданады. Көбінесе операцияларды зерттеу динамикалық жағдайларға бейімделетін шешімдерді модельдеу үшін стохастикалық бағдарламалауды пайдаланады; мұндай мәселелер ірі масштабты оптимизациялау және стохастикалық оптимизациялау әдістерімен шешіледі.
Басқару инженериясы
Математикалық оңтайландыру қазіргі заманғы басқару жүйелерін жобалауда кеңінен қолданылады. Модельдік болжау басқаруы (MPC) немесе нақты уақыт оптимизациясы (RTO) сияқты жоғары деңгейдегі басқару жүйелері математикалық оңтайландыруды пайдаланады. Бұл алгоритмдер онлайн режимінде жұмыс істейді және шектеулер мен басқарылатын жүйенің моделін қамтитын математикалық оңтайландыру мәселесін итеративті шешу арқылы процесстік зауыттағы дроссельдік клапандар сияқты шешім қабылдау айнымалыларының мәндерін үздіксіз анықтап отырады.
Геофизика
Оптимизациялау әдістері геофизикалық параметрлерді бағалау мәселелерінде үнемі қолданылады. Геофизикалық өлшемдер жиынтығы берілгенде, мысалы, сейсмикалық жазбалар, жер астындағы тау жыныстары мен сұйықтықтардың физикалық қасиеттерін және геометриялық пішіндерін анықтау жиі кездеседі. Геофизикадағы көптеген мәселелер сызықтық емес, соған байланысты детерминистік және стохастикалық әдістер кеңінен қолданылады.
Молекулалық модельдеу
Конформациялық талдауда сызықтық емес оптимизация әдістері кеңінен қолданылады.
Есептеу жүйелері биологиясы
Оптимизациялау әдістері есептеу жүйелік биологиясының көптеген салаларында қолданылады, мысалы, модельдеу, оңтайлы эксперименттік жобалау, метаболикалық инженерия және синтетикалық биология. Сызықтық бағдарламалау ферментация өнімдерінің максималды мүмкін мөлшерін есептеу үшін, сондай-ақ жоғары өнімді деректерден транскрипциялық реттеу желілерін анықтау үшін қолданылған. Сызықтық емес бағдарламалау энергия метаболизмін талдауға пайдаланылды және метаболикалық инженерия мен биохимиялық жолдардағы параметрлерді бағалауға қолданылды.