Μετάβαση στο περιεχόμενο

Βελτιστοποίηση

Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Γραφική παράσταση μιας επιφάνειας που δίνεται από τη σχέση z = f(x, y) = −(x² y²) 4. Το συνολικό μέγιστο στο (x, y, z) = (0, 0, 4) υποδεικνύεται με μπλε κουκκίδα.
Αναζήτηση του ελαχίστου Nelder-Mead για τη συνάρτηση Σιμιονέσκου. Οι κορυφές του simplex κατατάσσονται ανάλογα με την τιμή τους, με το 1 να είναι η χαμηλότερη τιμή ( best) value.

Ο χώρος της βελτιστοποίησης στα εφαρμοσμένα μαθηματικά αναφέρεται στην αναζήτηση βέλτιστων παραμέτρων ενός - συνήθως περίπλοκου - συστήματος. Προβλήματα βελτιστοποίησης απαντώνται σε πολλά επιστημονικά πεδία όπως π.χ. στη φυσική, στη χημεία, στην οικονομία κ.α..

Στα μαθηματικά διατυπώνεται ένα πρόβλημα βελτιστοποίησης σαν πρόβλημα ελαχιστοποίησης ή μεγιστοποίησης μιας συνάρτησης μίας μεταβλητής ή πολλών μεταβλητών. Ενώ στην ελαχιστοποίηση (ή μεγιστοποίηση) συναρτήσεων μίας μεταβλητής μπορούν να χρησιμοποιηθούν αναλυτικές και αλγεβρικές μέθοδοι για τον ακριβή ορισμό ελάχιστων (ή μέγιστων), στη μελέτη συναρτήσεων πολλών μεταβλητών χρησιμοποιούνται κυρίως αριθμητικές μέθοδοι για έναν προσεγγιστικό ορισμό ελάχιστων (ή μέγιστων) σημείων.

Βελτιστοποίηση υπό συνθήκη

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σε πολλά προβλήματα βελτιστοποίησης τίθενται επί πλέον περιορισμοί (constrainτs) τους οποίους οι λύσεις πρέπει να ικανοποιούν. Οι περιορισμοί ή συνθήκες αυτές συνήθως είναι ανισότητες.

Εφαρμογές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μηχανική

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα προβλήματα που σχετίζονται με τη δυναμική των άκαμπτων σωμάτων (ιδίως η δυναμική των αρθρωτών άκαμπτων σωμάτων) συχνά περιλαμβάνουν τεχνικές μαθηματικού προγραμματισμού, καθώς η δυναμική των άκαμπτων σωμάτων μπορεί να θεωρηθεί ότι προσπαθεί να λύσει μια συνήθη διαφορική εξίσωση σε μια πολλαπλότητα περιορισμών[1]- οι περιορισμοί είναι διάφοροι μη γραμμικοί γεωμετρικοί περιορισμοί, όπως "αυτά τα δύο σημεία πρέπει πάντα να συμπίπτουν", "αυτή η επιφάνεια δεν πρέπει να διαπερνά καμία άλλη" ή "αυτό το σημείο πρέπει πάντα να βρίσκεται κάπου πάνω σε αυτή την καμπύλη". Ομοίως, οι δυνάμεις επαφής μπορούν να υπολογιστούν με την επίλυση ενός γραμμικού προβλήματος συμπληρωματικότητας, το οποίο μπορεί επίσης να θεωρηθεί πρόβλημα τετραγωνικού προγραμματισμού (QP).

Πολλά προβλήματα σχεδιασμού μπορούν επίσης να εκφράζονται ως προγράμματα βελτιστοποίησης. Αυτή η εφαρμογή ονομάζεται βελτιστοποίηση σχεδιασμού. Ένα υποσύνολο είναι η βελτιστοποίηση μηχανικής, και ένα άλλο πρόσφατο και αυξανόμενο υποσύνολο αυτού του τομέα είναι η διεπιστημονική βελτιστοποίηση σχεδιασμού, η οποία, αν και χρήσιμη για πολλά προβλήματα, έχει εφαρμοστεί ιδιαίτερα σε προβλήματα αεροδιαστημικής μηχανικής.

Η προσέγγιση αυτή μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στην κοσμολογία και στην αστροφυσική [2].

Οικονομικά και χρηματοοικονομικά

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Τα οικονομικά συνδέονται επαρκώς με τη βελτιστοποίηση των παραγόντων, ώστε ένας σημαίνων ορισμός να περιγράφει τα οικονομικά ως επιστήμη ως "τη μελέτη της ανθρώπινης συμπεριφοράς ως σχέσης μεταξύ πεπερασμένων σκοπών και μέσων", με άλλες χρήσεις[3] . Η σύγχρονη θεωρία βελτιστοποίησης περιλαμβάνει την παραδοσιακή θεωρία βελτιστοποίησης, αλλά και επικαλύψεις με τη θεωρία παιγνίων και τη μελέτη των οικονομικών ισορροπιών. Το The Journal of Economic Literature κωδικοποιεί τον μαθηματικό προγραμματισμό, τις τεχνικές βελτιστοποίησης και τα συναφή θέματα ως JEL:C61-C63.

Στη μικροοικονομική, το πρόβλημα μεγιστοποίησης της χρησιμότητας και το δίδυμό του, το πρόβλημα ελαχιστοποίησης της δαπάνης, είναι προβλήματα οικονομικής βελτιστοποίησης. Στο βαθμό που συμπεριφέρονται με συνέπεια, οι καταναλωτές υποτίθεται ότι μεγιστοποιούν τη χρησιμότητά τους, ενώ οι επιχειρήσεις υποτίθεται γενικά ότι μεγιστοποιούν το κέρδος τους. Επιπλέον, οι παράγοντες συχνά μοντελοποιούνται ως αποστρεφόμενοι τον κίνδυνο, προτιμώντας να αποφεύγουν τον κίνδυνο. Οι τιμές των περιουσιακών στοιχείων μοντελοποιούνται επίσης με τη χρήση της θεωρίας βελτιστοποίησης, αν και τα υποκείμενα μαθηματικά βασίζονται στη βελτιστοποίηση στοχαστικών διαδικασιών και όχι στη στατική βελτιστοποίηση. Η θεωρία του διεθνούς εμπορίου χρησιμοποιεί επίσης τη βελτιστοποίηση για να εξηγήσει τα εμπορικά πρότυπα μεταξύ των εθνών. Η βελτιστοποίηση χαρτοφυλακίου είναι ένα παράδειγμα βελτιστοποίησης πολλαπλών στόχων στα οικονομικά.

Από τη δεκαετία του 1970, οι οικονομολόγοι μοντελοποιούν χρονικά δυναμικές αποφάσεις χρησιμοποιώντας τη θεωρία ελέγχου[4]. Για παράδειγμα, τα δυναμικά μοντέλα αναζήτησης χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της συμπεριφοράς της αγοράς εργασίας [5]. Κρίσιμη διάκριση γίνεται μεταξύ ντετερμινιστικών και στοχαστικών μοντέλων[6]. Οι μακροοικονομολόγοι κατασκευάζουν δυναμικά στοχαστικά υποδείγματα γενικής ισορροπίας (DSGE) που περιγράφουν τη δυναμική της οικονομίας στο σύνολό της ως αποτέλεσμα των αλληλοεξαρτώμενων αποφάσεων βελτιστοποίησης των εργαζομένων, των καταναλωτών, των επενδυτών και των κυβερνήσεων[7][8].

Ηλεκτρολογική μηχανική

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι συνήθεις εφαρμογές των τεχνικών βελτιστοποίησης στην ηλεκτρολογική μηχανική περιλαμβάνουν το σχεδιασμό ενεργών φίλτρων[9], τη μείωση των αδέσποτων πεδίων σε συστήματα υπεραγώγιμης μαγνητικής αποθήκευσης ενέργειας, το σχεδιασμό χωρικής χαρτογράφησης δομών μικροκυμάτων[10], κεραιών κινητής τηλεφωνίας[11][12][13], σχεδιασμό με βάση τον ηλεκτρομαγνητισμό. Η ηλεκτρομαγνητικά επικυρωμένη βελτιστοποίηση σχεδιασμού μικροκυματικών στοιχείων και κεραιών κάνει εκτεταμένη χρήση κατάλληλων φυσικών ή εμπειρικών υποκατάστατων μοντέλων και μεθοδολογιών χωρικής χαρτογράφησης από την ανακάλυψη της χωρικής χαρτογράφησης το 1993[14][15] . Οι τεχνικές βελτιστοποίησης χρησιμοποιούνται επίσης στην ανάλυση ροής ισχύος[16].

Πολιτικοί μηχανικοί

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η βελτιστοποίηση χρησιμοποιήθηκε ευρέως στον τομέα της πολιτικής μηχανικής. Η διαχείριση κατασκευών και η μηχανική μεταφορών είναι από τους κύριους κλάδους της πολιτικής μηχανικής που βασίζονται σε μεγάλο βαθμό στη βελτιστοποίηση. Τα πιο συνηθισμένα προβλήματα πολιτικού μηχανικού που επιλύονται με βελτιστοποίηση είναι η διαμόρφωση και η επίχωση δρόμων, η ανάλυση του κύκλου ζωής των κατασκευών και των υποδομών[17], η ισοπέδωση πόρων[18][19], η κατανομή υδάτινων πόρων, η διαχείριση της κυκλοφορίας[20]και η βελτιστοποίηση του χρονοδιαγράμματος.

Επιχειρησιακή έρευνα

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η επιχειρησιακή έρευνα είναι ένας άλλος τομέας που κάνει εκτεταμένη χρήση τεχνικών βελτιστοποίησης[21] και χρησιμοποιεί επίσης στοχαστική μοντελοποίηση και προσομοίωση για τη βελτίωση της λήψης αποφάσεων. Η επιχειρησιακή έρευνα χρησιμοποιεί όλο και περισσότερο τον στοχαστικό προγραμματισμό για τη μοντελοποίηση δυναμικών αποφάσεων που προσαρμόζονται σε γεγονότα- τα προβλήματα αυτά μπορούν να επιλυθούν με τη χρήση μεθόδων βελτιστοποίησης μεγάλης κλίμακας και στοχαστικής βελτιστοποίησης.

Μηχανική ελέγχου

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Η μαθηματική βελτιστοποίηση χρησιμοποιείται σε μεγάλο μέρος του σχεδιασμού των σύγχρονων ελεγκτών. Οι ελεγκτές υψηλού επιπέδου, όπως ο έλεγχος πρόβλεψης μοντέλου (MPC) ή η βελτιστοποίηση σε πραγματικό χρόνο (RTO), χρησιμοποιούν μαθηματική βελτιστοποίηση. Αυτοί οι αλγόριθμοι λειτουργούν on-line και καθορίζουν επανειλημμένα τις τιμές των μεταβλητών απόφασης, όπως τα ανοίγματα συμφόρησης σε μια μονάδα επεξεργασίας, επιλύοντας επαναληπτικά ένα μαθηματικό πρόβλημα βελτιστοποίησης που περιλαμβάνει περιορισμούς και ένα πρότυπο του προς έλεγχο συστήματος.

Γεωφυσική

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι τεχνικές βελτιστοποίησης χρησιμοποιούνται τακτικά σε προβλήματα εκτίμησης γεωφυσικών παραμέτρων. Δεδομένου ενός συνόλου γεωφυσικών μετρήσεων, για παράδειγμα σεισμικών καταγραφών, είναι σύνηθες να επιλύονται οι φυσικές ιδιότητες και τα γεωμετρικά σχήματα των υποκείμενων πετρωμάτων και ρευστών. Η πλειονότητα των προβλημάτων στη γεωφυσική είναι μη γραμμικά και χρησιμοποιούνται ευρέως προσδιοριστικές και στοχαστικές μέθοδοι.

Μοριακή μοντελοποίηση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι μη γραμμικές μέθοδοι βελτιστοποίησης χρησιμοποιούνται ευρέως στην ανάλυση διαμόρφωσης.

Υπολογιστική συστημική βιολογία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι τεχνικές βελτιστοποίησης χρησιμοποιούνται σε πολλές πτυχές της βιολογίας υπολογιστικών συστημάτων, όπως η κατασκευή μοντέλων, ο βέλτιστος πειραματικός σχεδιασμός, η μεταβολική μηχανική και η συνθετική βιολογία[22]. [Ο γραμμικός προγραμματισμός χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των μέγιστων δυνατών αποδόσεων προϊόντων ζύμωσης[22] και για την εξαγωγή συμπερασμάτων για γονιδιακά ρυθμιστικά δίκτυα από πολλαπλά σύνολα δεδομένων μικροσυστοιχιών[23] καθώς και για μεταγραφικά ρυθμιστικά δίκτυα από δεδομένα υψηλής απόδοσης[24]. Ο μη γραμμικός προγραμματισμός εφαρμόστηκε για την ανάλυση του ενεργειακού μεταβολισμού[25] και έχει εφαρμοστεί στη μεταβολική μηχανική και στην εκτίμηση παραμέτρων σε βιοχημικά μονοπάτια[26].

Μάθηση μέσω μηχανής

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Δείτε το άρθρο: Μηχανική μάθηση

Παραπομπές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. ↑ Vereshchagin, A.F. (1989). «Modelling and control of motion of manipulation robots». Soviet Journal of Computer and Systems Sciences 27 (5): 29–38. 
  2. ↑ Haggag, S.; Desokey, F.; Ramadan, M. (2017). «A cosmological inflationary model using optimal control». Gravitation and Cosmology 23 (3): 236–239. doi:10.1134/S0202289317030069. ISSN 1995-0721. Bibcode: 2017GrCo...23..236H. 
  3. ↑ Lionel Robbins (1935, 2nd ed.) An Essay on the Nature and Significance of Economic Science, Macmillan, p. 16.
  4. ↑ Dorfman, Robert (1969). «An Economic Interpretation of Optimal Control Theory». American Economic Review 59 (5): 817–831. 
  5. ↑ Sargent, Thomas J. (1987). «Search». Dynamic Macroeconomic Theory. Harvard University Press. σελίδες 57–91. ISBN 9780674043084. 
  6. ↑ A.G. Malliaris (2008). "stochastic optimal control," The New Palgrave Dictionary of Economics, 2nd Edition. Abstract Αρχειοθετήθηκε 2017-10-18 στο Wayback Machine..
  7. ↑ Rotemberg, Julio; Woodford, Michael (1997). «An Optimization-based Econometric Framework for the Evaluation of Monetary Policy». NBER Macroeconomics Annual 12: 297–346. doi:10.2307/3585236. http://www.nber.org/chapters/c11041.pdf. 
  8. ↑ From The New Palgrave Dictionary of Economics (2008), 2nd Edition with Abstract links:
       • "numerical optimization methods in economics" by Karl Schmedders
       • "convex programming" by Lawrence E. Blume
       • "Arrow–Debreu model of general equilibrium" by John Geanakoplos.
  9. ↑ De, Bishnu Prasad; Kar, R.; Mandal, D.; Ghoshal, S.P. (2014-09-27). «Optimal selection of components value for analog active filter design using simplex particle swarm optimization». International Journal of Machine Learning and Cybernetics 6 (4): 621–636. doi:10.1007/s13042-014-0299-0. ISSN 1868-8071. 
  10. ↑ Koziel, Slawomir; Bandler, John W. (January 2008). «Space Mapping With Multiple Coarse Models for Optimization of Microwave Components». IEEE Microwave and Wireless Components Letters 18 (1): 1–3. doi:10.1109/LMWC.2007.911969. 
  11. ↑ Tu, Sheng; Cheng, Qingsha S.; Zhang, Yifan; Bandler, John W.; Nikolova, Natalia K. (July 2013). «Space Mapping Optimization of Handset Antennas Exploiting Thin-Wire Models». IEEE Transactions on Antennas and Propagation 61 (7): 3797–3807. doi:10.1109/TAP.2013.2254695. Bibcode: 2013ITAP...61.3797T. 
  12. ↑ N. Friedrich, “Space mapping outpaces EM optimization in handset-antenna design,” microwaves&rf, August 30, 2013.
  13. ↑ Cervantes-González, Juan C.; Rayas-Sánchez, José E.; López, Carlos A.; Camacho-Pérez, José R.; Brito-Brito, Zabdiel; Chávez-Hurtado, José L. (February 2016). «Space mapping optimization of handset antennas considering EM effects of mobile phone components and human body». International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering 26 (2): 121–128. doi:10.1002/mmce.20945. 
  14. ↑ Bandler, J.W.; Biernacki, R.M.; Chen, Shao Hua; Grobelny, P.A.; Hemmers, R.H. (1994). «Space mapping technique for electromagnetic optimization». IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 42 (12): 2536–2544. doi:10.1109/22.339794. Bibcode: 1994ITMTT..42.2536B. 
  15. ↑ Bandler, J.W.; Biernacki, R.M.; Shao Hua Chen; Hemmers, R.H.; Madsen, K. (1995). «Electromagnetic optimization exploiting aggressive space mapping». IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 43 (12): 2874–2882. doi:10.1109/22.475649. Bibcode: 1995ITMTT..43.2874B. 
  16. ↑ «Convex relaxation of optimal power flow: A tutorial». 2013 iREP Symposium on Bulk Power System Dynamics and Control. doi:10.1109/IREP.2013.6629391. https://ieeexplore.ieee.org/document/6629391. 
  17. ↑ Piryonesi, Sayed Madeh; Tavakolan, Mehdi (9 January 2017). «A mathematical programming model for solving cost-safety optimization (CSO) problems in the maintenance of structures». KSCE Journal of Civil Engineering 21 (6): 2226–2234. doi:10.1007/s12205-017-0531-z. 
  18. ↑ Hegazy, Tarek (June 1999). «Optimization of Resource Allocation and Leveling Using Genetic Algorithms». Journal of Construction Engineering and Management 125 (3): 167–175. doi:10.1061/(ASCE)0733-9364(1999)125:3(167). 
  19. ↑ Piryonesi, S. Madeh; Nasseri, Mehran; Ramezani, Abdollah (9 July 2018). «Piryonesi, S. M., Nasseri, M., & Ramezani, A. (2018). Resource leveling in construction projects with activity splitting and resource constraints: a simulated annealing optimization.». Canadian Journal of Civil Engineering 46: 81–86. doi:10.1139/cjce-2017-0670. 
  20. ↑ Herty, M.; Klar, A. (2003-01-01). «Modeling, Simulation, and Optimization of Traffic Flow Networks». SIAM Journal on Scientific Computing 25 (3): 1066–1087. doi:10.1137/S106482750241459X. ISSN 1064-8275. Bibcode: 2003SJSC...25.1066H. https://epubs.siam.org/doi/10.1137/S106482750241459X. 
  21. ↑ «New force on the political scene: the Seophonisten». Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 18 Δεκεμβρίου 2014. Ανακτήθηκε στις 14 Σεπτεμβρίου 2013. 
  22. ↑ 22,0 22,1 Papoutsakis, Eleftherios Terry (February 1984). «Equations and calculations for fermentations of butyric acid bacteria». Biotechnology and Bioengineering 26 (2): 174–187. doi:10.1002/bit.260260210. ISSN 0006-3592. PMID 18551704. https://archive.org/details/sim_biotechnology-and-bioengineering_1984-02_26_2/page/174. 
  23. ↑ Wang, Yong; Joshi, Trupti; Zhang, Xiang-Sun; Xu, Dong; Chen, Luonan (2006-07-24). «Inferring gene regulatory networks from multiple microarray datasets» (στα αγγλικά). Bioinformatics 22 (19): 2413–2420. doi:10.1093/bioinformatics/btl396. ISSN 1460-2059. PMID 16864593. 
  24. ↑ Wang, Rui-Sheng; Wang, Yong; Zhang, Xiang-Sun; Chen, Luonan (2007-09-22). «Inferring transcriptional regulatory networks from high-throughput data». Bioinformatics 23 (22): 3056–3064. doi:10.1093/bioinformatics/btm465. ISSN 1460-2059. PMID 17890736. 
  25. ↑ Vo, Thuy D.; Paul Lee, W.N.; Palsson, Bernhard O. (May 2007). «Systems analysis of energy metabolism elucidates the affected respiratory chain complex in Leigh's syndrome». Molecular Genetics and Metabolism 91 (1): 15–22. doi:10.1016/j.ymgme.2007.01.012. ISSN 1096-7192. PMID 17336115. 
  26. ↑ Mendes, P.; Kell, D. (1998). «Non-linear optimization of biochemical pathways: applications to metabolic engineering and parameter estimation». Bioinformatics 14 (10): 869–883. doi:10.1093/bioinformatics/14.10.869. ISSN 1367-4803. PMID 9927716. https://archive.org/details/sim_bioinformatics_1998_14_10/page/869. 

Βιβιογραφία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  • Πολυμέσα σχετικά με το θέμα Optimization στο Wikimedia Commons


Ανακτήθηκε από "https://el.wikipedia.org/w/index.php?title=Βελτιστοποίηση&oldid=10833989"