[Optimal Design] 4. Optimum Design Concepts: Optimality Conditions

Author

고경수

Published

September 11, 2024

Introduction to Optimum Design

4. Optimum Design Concepts: Optimality Conditions


- 이 장의 주요내용:

  • 비제약조건 및 제약조건 최적화 문제에서 국소적 및 전역적 최소(최대) 정의

  • 비제약조건 최적화 문제에 대한 최적성 조건의 기술

  • 제약조건 최적화 문제에 대한 최적성 조건의 기술

  • 비제약조건 및 제약조건 문제에서 주어진 점에 대한 최적성 조건의 검토

  • 후보 최소점을 위한 1차 최적성 조건의 풀이

  • 함수와 설계 최적화 문제의 볼록성 검토

  • 제약조건의 변동에 따른 목적함수의 최적값 변화를 연구하기 위한 라그랑지 승수의 활용


4.1 Global and local minima

  • minimum ← sigular, minima ← plurar

  • Global minimum

    f(x)f(x)for all x in the feasible set, S

  • Local minimum

    f(x)f(x)for all x in a small neighborhood N of xin the feasible set, S

    N={x|xS with ||xx||<δ} where δ: small real number.

  • Existence of a minimum

    • Weierstrass theorem(필요조건, 만족안해도 미니멈 존재할 수 있음)

      f(x) is continuous on a non-empty feasible set S that is closed and bounded, then f(x) has a global minimum is S.

      1. set S is closed axb

      2. set S is bounded any xS,xTx<c

        • c는 상수, x는 single이면 x2<c

      e.g.,

      [0,1] : closed, bounded.

      [2n, 2n+1], nZ(정수) : closed, but not bounded (n)

      (0, 1] : not closed, but bounded

      (2n, 2n+1) : not closed, not bounded

axb : closed.

Any xS,xTx<c : bounded

→ global minimum exist

4.2 Basic calculus concepts

Vectors

Sets

4.2.1 Gradient vectors (first-order partial derivative of a function)

4.2.2 Hessian matrix (second-order partial derivatives)

  • 2f=H

    H=HT (always symmetric)

4.2.3 Taylor’s Expansion

  1. single variable x

    f(x)=f(x)+df(x)dx(xx)+12d2f(x)dx2(xx)2+

    Let xx=d

    f(x+d)=f(x)+df(x)dxd+12d2f(x)dx2d2+

  2. Two variables, x1 and x2

    f(x1+d1,x2+d2)=f(x1,x2)+dfdx1d1+dfdx2d2+12{2fx12d2+22fx1x2d1d2+2fx22d22}+

    Using summation notations,

    =f(x1,x2)+i=12fxidi+12i=12i=122fxixjdidj+

    Using matrix notation,

    f(x¯+d¯)=f(x¯)+(¯f)Td¯+12d¯TH¯d¯+

    Let Δf=f(x¯+d¯)f(x¯)

    Δf=(¯f)Td¯+12d¯TH¯d¯+

  • x¯,x~ 벡터나 매트릭스. multiple variable notation.

4.2.4 Quadratic form (Q-form) and definite matrix

  1. Q-form

    f=i=1nj=1npxjxixj=x¯TP¯x¯(Q-form)

    e.g., f=x126x1x2+9x22

    =(x1 x2)[1339](x1x2)=x¯TP¯x¯

  2. Positive definiteness (P-D) of Q-form

    P-D if f(x)>0 for all non-zero x~

    • 아래로 볼록! convex

    P-semi D if f(x~)0 for all x~

    e.g., f=13x2 : P-D

    f>0 for x0

    f=0 iff x=0

    • negative는 위로 볼록, minimum 없음.
  • How to check P-D of x~TP~x~

    1. check eigenvalues of P~

    2. sylvester’s test