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《机械优化设计》-第二-五讲2015
第二章 优化设计的数学基础一、等值(线)面 对于可计算的函数 f(x),给定一个设计点 X(k)(x1(k),x2(k), …,xn (k)),f(x)总有一个定值c 与之对应;而当f(x)取定值 c 时,则有无限多个设计点X(i)(x1(i), x2(i), …,xn(i) ) (i=1,2, … )与之对应,这些点集构成一个曲面,称为等值面。 当 c 取c1,c2, …等值时,就获得一族曲面族,称为等值面族。 当f(x)是二维时,获得一族等值线族; 当f(x)是三维时,获得一族等值面族; 当f(x)大于三维时,获得一族超等值面族。第二章 优化设计的数学基础等值线的“心” (以二维为例) 一个“心”:是单峰函数的极(小)值点,是全局极(小)值点。 没有“心”:例,线性函数的等值线是平行的,无“心”,认为极值点在无穷远处。 多个“心”:不是单峰函数,每个极(小)值点只是局部极(小)值点,必须通过比较各个极值点和“鞍点”(须正确判别)的值,才能确定极(小)值点。第二章 优化设计的数学基础等值线的分布规律: 等值线越内层其函数值越小(对于求目标函数的极小化来说) 沿等值线密的方向,函数值变化快;沿等值线疏的方向,函数值变化慢。 对于有心的等值线来说,其等值线簇的中心就是一个相对极小点;而对于无心的等值线簇来说,其相对极小点就是在无穷远了。第二章 优化设计的数学基础二、梯度方向导数:函数值在某一个方向的变化率。 二维问题中,f (x1,x2 ) 在 X(0) 点沿方向 s的方向导数为:其中:是 X(0)点的梯度。S 为s方向的单位向量, 。方向导数 为 S 的方向角,为梯度在方向 s 上的投影。第二章 优化设计的数学基础梯度的性质: ① 梯度的模因点而异,即函数f(x)在不同点的最大增长率不同。 ②梯度方向是X(0)点处指向函数变化率最大的方向,是函数的一种局部性质,只反映X(0)点邻近的函数性质; ③梯度方向与过该点的等值线的切线是正交的,是过该点的等值线的法线方向; ④正梯度方向是函数值最速上升的方向,负梯度方向是函数值最速下降的方向。梯度方向的几何意义第二章 优化设计的数学基础梯度方向与等值线的关系第二章 优化设计的数学基础 对于 n 维问题的梯度例2-1求函数 在 处函数变化率最大的方向和数值。解 函数变化率最大的方向就是梯度方向,用单位向量 表示,其数值就是梯度的模。计算如下:第二章 优化设计的数学基础第二章 优化设计的数学基础三、多元函数的泰勒展开n 维函数 f(x) 在 x(k) 点的泰勒展开式:二阶近似式:其中:增量 Δ X (k) =[Δx1 (k) , Δx2 (k) ,…, Δxn (k) ]T梯度 Hesse 矩阵例2-2 求二元函数 在 点处的二阶泰勒展开式 将 的具体数值代入,有 第二章 优化设计的数学基础解 二阶泰勒展开式为 此函数的图像是以 点为顶点的旋转抛物面。 第二章 优化设计的数学基础四、Hesse 矩阵与正定对于二次型函数,当对任何非零向量 使则二次型函数正定, 为正定矩阵。 由线性代数可知,对称矩阵正定的条件是它的行列式的顺序主子式全部大于零。第二章 优化设计的数学基础Hesse 矩阵的特性:是实对称矩阵。 ??H是正定矩阵的充要条件是它的所有主子式都大于0;?H是负定矩阵的充要条件是它的所有奇数阶主子式都小于0,并且它的所有偶数阶主子式都大于0; H是半正定矩阵的充要条件是它的所有主子式都大于等于0; H是半负定矩阵的充要条件是它的所有奇数阶主子式都小于等于0,并且它的所有偶数阶主子式都大于等于0;Hesse 矩阵的正定性:H(x*)正定, 是 x* 为全局极小值点的充分条件;H(x*)半正定, 是 x* 为局部极小值点的充分条件;H(x*)负定, 是 x* 为全局极大值点的充分条件;H(x*)半负定, 是 x* 为局部极大值点的充分条件。五、凸集、凸函数与凸规划 设 为n维设计空间中的一个集合,若其中任意两点 的连线都包含在该集合内,就称该集合是n维设计空间的一个凸集。 第二章 优化设计的数学基础凸集具有以下性质: 1、若 是一个凸集, 是一个实数, 是凸集 中的动点,即 ,则集合还是凸集。2、若 是凸集, 分别是凸集 中的动点,即 , , 则集合还是凸集。3、任何一组凸集的交集还是凸集。 第二章 优化设计的数学基础凸函数 设 为定义在n维设计空间中一个凸集 上的函数,若对任何实数 及 域中任意两点 存在如下关系: 则称为 定义在凸集 上的凸函数。 一元函数 若在[a,b]内为凸函数
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