Выпуклые множества и функции. Выпуклые множества

Задача линейного программирования - это нахождение минимума линейной функции f: n > 1 , заданной на некотором замкнутом выпуклом множестве, выделенном линейными неравенствами.

Общая задача линейного программирования имеет вид:

Дана система m линейных уравнений и неравенств с n переменными

и линейная функция F = c 1 x 1 + c 2 x 2 +… + c n x n min (max)

Система (1) называется системой ограничений, а функция F - линейной функцией, линейной формой, целевой функцией или функцией цели.

Более кратко общую задачу линейного программирования можно представить в виде:

x={x|Axb, A=, b=( T )}

Задачу линейного программирования записывают и в других формах - канонической и нормальной. Канонической задачей - обозначение Зк, назовем такую:

x={x|Axb, ?0, j=)}

Нормальной задачей - обозначение Зн, назовем такую

x={x|Axb, ?0, j=)}

Выпуклые множества и функции

Определение выпуклого множества: множество - - выпуклое, если вместе с любыми двумя точками множеству принадлежат все точки отрезка, соединяющего в пространстве точку с точкой.

На следующем рисунке изображены два множества на плоскости: одно выпуклое, а другое нет.

Рис. 1

Выпуклыми в пространстве являются, например, такие множества: всё пространство, его положительный октант и неотрицательный октант, любой шар, как открытый, так и замкнутый, любая гиперплоскость (заданная некоторым уравнением вида, а также открытое и замкнутое полупространства, заданные, соответственно, условиями и.

Среди точек выпуклого множества можно выделить внутренние, граничные и угловые точки.

Точка множества называется внутренней , если в некоторой ее окрестности содержатся точки только данного множества.

Точка множества называется граничной , если в любой ее окрестности содержатся как точки, принадлежащие данному множеству, так и точки, не принадлежащие ему.

Особый интерес в задачах линейного программирования представляют угловые точки. Точка множества называется угловой (или крайней), если она не является внутренней ни для какого отрезка, целиком принадлежащего данному множеству.

На рис. приведены примеры различных точек многоугольника: внутренней (точки М), граничной (точка N) и угловых (точки А, В, С, D, Е). Точка А - угловая, так как для любого отрезка, целиком принадлежащего многоугольнику, например, отрезка АР, она не является внутренней; точка А - внутренняя для отрезка KL, но этот отрезок не принадлежит целиком многоугольнику.

Для выпуклого множества угловые точки всегда совпадают с вершинами многоугольника (многогранника), в то же время для невыпуклого множества это не обязательно. Множество точек называется замкнутым, если включает все свои граничные точки. Множество точек называется ограниченным , если существует шар (круг) радиуса конечной длины с центром в любой точке множества, который полностью содержит в себе данное множество; в противном случае множество называется неограниченным. Выпуклое замкнутое множество точек плоскости, имеющее конечное число угловых точек, называется выпуклым многоугольником, если оно ограниченное, и выпуклой многоугольной областью, если оно неограниченное.

Функция f: называется выпуклой, если ее надграфик epi f= является выпуклым множеством. На рисунке изображена выпуклая функция, её график выделен синим и надграфик закрашен зеленым.

Функция f: называется замкнутой, если ее надграфик - замкнутое множество.

Геометрический смысл решений неравенств, уравнений и их систем

Рассмотрим решения неравенств.

Утверждение 1. Множество решений неравенства с двумя переменными a11x1+a12x2<=b1 является одной из двух полуплоскостей, на которые вся плоскость делится прямой a11x1+a12x2=b1, включая и эту прямую, а другая полуплоскость с той же прямой есть множество решений неравенства a11x1+a12x2>=b1.

Для определения искомой полуплоскости (верхней или нижней) рекомендуется задать произвольную контрольную точку, не лежащую на ее границе - построенной прямой. Если неравенство выполняется в контрольной точке, то оно выполняется и во всех точках полуплоскости, содержащей контрольную точку, и не выполняется во всех точках другой полуплоскости. И наоборот, в случае невыполнения неравенства в контрольной точке, оно не выполняется во всех точках полуплоскости, содержащей контрольную точку, и выполняется во всех точках другой полуплоскости. В качестве контрольной точки удобно взять начало координат О (0; 0), не лежащее на построенной прямой.

Рассмотрим множество решений систем неравенств.

Утверждение 2. Множество решений совместной системы т линейных неравенств с двумя переменными является выпуклым многоугольником (или выпуклой многоугольной областью).

Каждое из неравенств в соответствии с утверждением 1 определяет одну из полуплоскостей, являющуюся выпуклым множеством точек. Множеством решений совместной системы линейных неравенств служат точки, которые принадлежат полуплоскостям решений всех неравенств, т.е. принадлежат их пересечению. Согласно утверждению о пересечении выпуклых множеств это множество является выпуклым и содержит конечное число угловых точек, т.е. является выпуклым многоугольником (выпуклой многоугольной областью).

Координаты угловых точек - вершин многоугольника находят как координаты точек пересечения соответствующих прямых.

При построении областей решений систем неравенств могут встретиться и другие случаи: множество решений - выпуклая многоугольная область (рис. а); одна точка (рис. б); пустое множество, когда система неравенств несовместна (рис. в).

Определение понятия двойственности с помощью преобразования Лежандра

Пусть f:. Функция f*: определенная равенством f*(x*)==(x*), называется сопряженной функцией к f, а функция f**: определенная по правилу f**(x*)==(x*), называется второй сопряженной функцией к f.

Отображение f* (x*) =< x*, x> ? f(x) называется преобразованием Лежандра.

Обычный прием построения двойственной задачи состоит в следующем. Задача минимизации

где X - линейное пространство, включается в класс подобных ей задач, зависящих от параметра:

где Y - некоторое другое линейное пространство, F (x, 0)=f(x) (функцию F называют возмущением f). Обычно F предполагается выпуклой. Двойственной к задаче по отношению к данному возмущению наз. задача

где F* - функция, двойственная (сопряженная) с F в смысле Лежандра - Юнга - Фенхеля. Такая двойственность позволяет связать с каждой выпуклой функцией f: X-> R двойственный объект - сопряженную функцию, заданную на сопряженном пространстве X* и определяемую формулой

Для простейших задач выпуклого программирования типа

где X - линейное пространство, выпуклые функции на X, В-выпуклое множество в X (частными случаями (3) являются задачи линейного программирования), обычно применяются следующие стандартные возмущения, зависящие от параметров y=(у 1 ,…, y m), m, Теоремы двойственности для общих классов задач выпуклого программирования утверждают, что при некоторых допущениях на возмущение F значения задач (2) и (2*) совпадают, и более того, решение одной из задач является множителем Лагранжа для другой.

В котором все точки отрезка , образуемого любыми двумя точками данного множества, также принадлежат данному множеству.

Определения

Примеры

• Выпуклые подмножества множества $\backslash R$ (множество вещественных чисел) представляют собой интервалы из $\backslash R$.
• Примерами выпуклых подмножеств в двумерном евклидовом пространстве ($\backslash R^2$) являются правильные многоугольники .
• Примерами выпуклых подмножеств в трёхмерном евклидовом пространстве ($\backslash R^3$) являются архимедовы тела и правильные многогранники .
• Тела Кепплера - Пуансо (правильные звездообразные многогранники) являются примерами невыпуклых множеств.

Свойства

• Выпуклое множество в топологическом линейном пространстве является связным и линейно связным , гомотопически эквивалентным точке.
• В терминах связности, выпуклое множество можно определить так: множество выпукло, если его пересечение с любой (вещественной) прямой связно.
• Пусть $K$ - выпуклое множество в линейном пространстве. Тогда для любых элементов $u\_1,\backslash ;u\_2,\backslash ;\backslash ldots,\backslash ;u\_r$ принадлежащих $K$ и для всех неотрицательных $\backslash lambda\_1,\backslash ;\backslash lambda\_2,\backslash ;\backslash ldots,\backslash ;\backslash lambda\_r$, таких что $\backslash lambda\_1+\backslash lambda\_2+\backslash ldots+\backslash lambda\_r=1$, вектор $w=\backslash sum\_\{k=1\}^r\backslash lambda\_k\; u\_k$

• Вектор $w$ называется выпуклой комбинацией элементов $u\_1,\backslash ;u\_2,\backslash ;\backslash ldots,\backslash ;u\_r$.

Вариации и обобщения

• Без каких-либо изменений определение работает для аффинных пространств над произвольным расширением поля вещественных чисел.

См. также

Напишите отзыв о статье "Выпуклое множество"

Литература

• Половинкин Е. С., Балашов М. В. Элементы выпуклого и сильно выпуклого анализа. - М .: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 416 с. - ISBN 5-9221-0499-3 . .
• Тиморин В. А. . - М .: МЦНМО , 2002. - 16 с. - ISBN 5-94057-024-0 . .

Ссылки

Отрывок, характеризующий Выпуклое множество

Вернувшись в Москву из армии, Николай Ростов был принят домашними как лучший сын, герой и ненаглядный Николушка; родными – как милый, приятный и почтительный молодой человек; знакомыми – как красивый гусарский поручик, ловкий танцор и один из лучших женихов Москвы.
Знакомство у Ростовых была вся Москва; денег в нынешний год у старого графа было достаточно, потому что были перезаложены все имения, и потому Николушка, заведя своего собственного рысака и самые модные рейтузы, особенные, каких ни у кого еще в Москве не было, и сапоги, самые модные, с самыми острыми носками и маленькими серебряными шпорами, проводил время очень весело. Ростов, вернувшись домой, испытал приятное чувство после некоторого промежутка времени примеривания себя к старым условиям жизни. Ему казалось, что он очень возмужал и вырос. Отчаяние за невыдержанный из закона Божьего экзамен, занимание денег у Гаврилы на извозчика, тайные поцелуи с Соней, он про всё это вспоминал, как про ребячество, от которого он неизмеримо был далек теперь. Теперь он – гусарский поручик в серебряном ментике, с солдатским Георгием, готовит своего рысака на бег, вместе с известными охотниками, пожилыми, почтенными. У него знакомая дама на бульваре, к которой он ездит вечером. Он дирижировал мазурку на бале у Архаровых, разговаривал о войне с фельдмаршалом Каменским, бывал в английском клубе, и был на ты с одним сорокалетним полковником, с которым познакомил его Денисов.
Страсть его к государю несколько ослабела в Москве, так как он за это время не видал его. Но он часто рассказывал о государе, о своей любви к нему, давая чувствовать, что он еще не всё рассказывает, что что то еще есть в его чувстве к государю, что не может быть всем понятно; и от всей души разделял общее в то время в Москве чувство обожания к императору Александру Павловичу, которому в Москве в то время было дано наименование ангела во плоти.
В это короткое пребывание Ростова в Москве, до отъезда в армию, он не сблизился, а напротив разошелся с Соней. Она была очень хороша, мила, и, очевидно, страстно влюблена в него; но он был в той поре молодости, когда кажется так много дела, что некогда этим заниматься, и молодой человек боится связываться – дорожит своей свободой, которая ему нужна на многое другое. Когда он думал о Соне в это новое пребывание в Москве, он говорил себе: Э! еще много, много таких будет и есть там, где то, мне еще неизвестных. Еще успею, когда захочу, заняться и любовью, а теперь некогда. Кроме того, ему казалось что то унизительное для своего мужества в женском обществе. Он ездил на балы и в женское общество, притворяясь, что делал это против воли. Бега, английский клуб, кутеж с Денисовым, поездка туда – это было другое дело: это было прилично молодцу гусару.
В начале марта, старый граф Илья Андреич Ростов был озабочен устройством обеда в английском клубе для приема князя Багратиона.
Граф в халате ходил по зале, отдавая приказания клубному эконому и знаменитому Феоктисту, старшему повару английского клуба, о спарже, свежих огурцах, землянике, теленке и рыбе для обеда князя Багратиона. Граф, со дня основания клуба, был его членом и старшиною. Ему было поручено от клуба устройство торжества для Багратиона, потому что редко кто умел так на широкую руку, хлебосольно устроить пир, особенно потому, что редко кто умел и хотел приложить свои деньги, если они понадобятся на устройство пира. Повар и эконом клуба с веселыми лицами слушали приказания графа, потому что они знали, что ни при ком, как при нем, нельзя было лучше поживиться на обеде, который стоил несколько тысяч.

Множество X называется выпуклым, если для любых двух его точек A,B ∈ X все точки отрезка также принадлежат множеству X, то есть если для любых двух его точек A,B ∈ X и для любого значения α in точка M = αA + (1 − α)B также принадлежит множеству X: M ∈ X.

Пусть дано X1, ...Xn - выпуклые множества. Обозначим Y =Xi - пересечение выпуклых множеств. Покажем, что Y - выпуклое множество. Для этого покажем, что длялюбых точек A,B ∈ Y и для любого значения α in точка M = αA + (1 − α)B также принадлежит множеству Y: M ∈ Y . Так как Y - суть пересечение выпуклых множеств X1, ...Xn, то выбранные произвольным образом точки A,B принадлежат каждому из этих множеств Xi, i = 1..n. В силу выпуклости каждого из множеств Xi по определению следует, что для произвольно выбранного значения α ∈ точка M = αA+(1−α)B принадлежит каждому из множеств (все они выпуклы и содержат A,B). Так как все множества Xi содержат точку M, то и

пересечение этих множеств также содержит точку M: M ∈ Y . Из последнего включения в силу произвольности A,B ∈ Y и произвольности параметра α ∈ следует выпуклость множества Y , что и требовалось показать.

95. Является ли множество точек , удовлетворяющих условию , выпуклым? Ответ обоснуйте.

Да, очевидно, что это равенство задаёт линейную полуплоскость в R4.

Обоснуем это по оределению:

A = (a1, a2, a3, a4), B= (b1, b2, b3, b4) ∈ X,

удовлетворяющие вышеуказанному неравенству.

Рассмотрим произвольную точку M = αA + (1 − α)B, где α ∈ – произвольное значение параметра. ТогдаM(m1,m2,m3,m4) = αA + (1 − α)B

m1 = αa1 + (1 − αb1)

m2 = αa2 + (1 − αb2)

m3 = αa3 + (1 − αb3)

m4 = αa4 + (1 − αb4)

выполнимости заданного неравенства:

5 + 2m1 + 3m2 − m3 + 5m4 ≥ 0

5 + 2(αa1 + (1 − αb1)) + 3(αa2 + (1 − αb2)) − (αa3 + (1 − αb3)) + 5(αa4 + (1 − αb4)) ≥ 0

Представим 5 = α5+(1−α)5, раскроем и сгруппируем слагаемые для ai и bi. Получим:

α(5 + 2a1 + 3a2 − a3 + 5a4) + (1 − α)(5 + 2b1 + 3b2 − b3 + 5b4) ≥ 0

Так как точки A,B лежат в множестве X, то их координаты удовлетворяют неравенству,

задающему множество. Значит, оба слагаемых неотрицательны в силу неотрицательности

α и 1 − α. Поэтому последнее неравенство выполнено для любых A,B и любого значения

параметра α ∈ . По определению мы показали, что данное множество X является

выпуклым.

96. Является ли множество точек удовлетворяющих условию , выпуклым? Ответ обоснуйте.

Да, очевидно, что это равенство задаёт линейную гиперплоскость в R4.

Обоснуемэто по оределению:

Рассмотрим любые две точки этого пространства

A = (a1, a2, a3, a4), B= (b1, b2, b3, b4) ∈ X

удовлетворяющие вышеуказанному равенству.

Рассмотрим произвольную точку M = αA + (1 − α)B, где α ∈ – произвольное значение параметра. Тогда M(m1,m2,m3,m4) = αA + (1 − α)B

m1 = αa1 + (1 − αb1)

m2 = αa2 + (1 − αb2)

m3 = αa3 + (1 − αb3)

m4 = αa4 + (1 − αb4)

Проверим для точки M(m1,m2,m3,m4) принадлежность к множеству X с помощью

выполнимости заданного равенства:

m1 + 2m2 − 3m3 + 4m4 = 55

(αa1 + (1 − αb1)) + 2(αa2 + (1 − αb2)) − 3(αa3 + (1 − αb3)) + 4(αa4 + (1 − αb4)) = 55

Раскроем скобки и сгруппируем слагаемые для ai и bi. Получим:

α(a1 + 2a2 − 3a3 + 4a4) + (1 − α)(b1 + 2b2 − 3b3 + 4b4) = 55

Так как точки A,B лежат в множестве X, то их координаты удовлетворяют равенству,

задающему множество, то есть (a1 + 2a2 − 3a3 + 4a4) = 55 и (b1 + 2b2 − 3b3 + 4b4) = 55.

Подставив эти равенства в последнее выражение получим:

α55 + (1 − α)55 = 55

Последнее равенство выполнено для любых A,B и любого значения параметра α ∈ . По определению мы показали, что данное множество X является выпуклым.

97. Приведите примеры выпуклого множества: а) имеющего угловую точку; б) не имеющего угловой точки. Может ли не ограниченное выпуклое множество иметь угловую точку? Приведите пример.

а) квадрат имеет 4 угловые точки

б) окружность не имеет угловых точек

в) неограниченное множество может иметь угловые точки: имеет одну угловую точку (0;0)

98. Дайте определение выпуклой оболочки системы точек. Пусть - выпуклая оболочка точек , , , . Принадлежат ли множеству точки: , ? Ответ обоснуйте.

то есть выполнено условие того, что это выпуклая линейная комбинация, а значит X входит в состав выпуклой оболочки. Предположим, что Y входит также в выпуклую комбинацию, тогда все точки отрезка должны входить в линейную комбинацию, но по исходным точкам видно (все они находятся правей прямой x = -1), что вся выпуклая комбинация расположена справа от прямой x =-1, а точка Y - слева, что подтверждает, что ни весь отрезок ни точка Y - не принадлежат выпуклой оболочке.

При исследовании экономических явлений математическими методами весьма значительным оказывается такое свойство многих множеств и функций, как выпуклость. Характер поведения многих экономических объектов связан с тем, что определенные зависимости, описывающие эти объекты, являются выпуклыми.

С выпуклостью функций и множеств часто связано существование или единственность решения экономических задач: на этом же свойстве основаны многие вычислительные алгоритмы.

Справедливость многих утверждений, относящихся к выпуклым множествам и функциям, совершенно ясна, они почти очевидны. В то же время их доказательство зачастую очень сложно. Поэтому здесь будут изложены некоторые основные факты, связанные с выпуклостью, без доказательств, в расчете на их интуитивную убедительность.

Выпуклые множества на плоскости .

Любая геометрическая фигура на плоскости может рассматриваться как множество точек, принадлежащих этой фигуре. Одни множества (например, круг, прямоугольник, полоса между параллельными прямыми) содержат и внутренние, и граничные точки; другие (например, отрезок, окружность) состоят только из граничных точек.

Множество точек на плоскости называется выпуклым, если оно обладает следующим свойством: отрезок, соединяющий любые две точки этого множества, целиком содержится в этом множестве.

Примерами выпуклых множеств являются: треугольник, отрезок, полуплоскость (часть плоскости, лежащая по одну сторону от какой-либо прямой), вся плоскость.

Множество, состоящее из одной-единственной точки, и пустое множество, не содержащее ни одной точки, по принятому соглашению, также считаются выпуклыми. Во всяком случае, в этих множествах невозможно провести отрезок, соединяющий какие-то точки этих множеств и не принадлежащий этим множествам целиком, - в них вообще невозможно выбрать две точки. Поэтому их включение в число выпуклых множеств не приведет к противоречию с определением, а для математических рассуждений этого достаточно.

Пересечение, т. е. общая часть двух выпуклых множеств, всегда выпукло: взяв любые две точки пересечения (а они - общие, т. е. принадлежат каждому из пересекающихся множеств) и соединив их отрезком, мы легко убеждаемся в том, что все точки отрезка являются общими для обоих множеств, так как каждое из них выпукло. Выпуклым будет и пересечение любого числа выпуклых множеств.

Важным свойством выпуклых множеств является их отделимость: если два выпуклых множества не имеют общих внутренних точек, то плоскость можно разрезать по прямой таким образом, что одно из множеств будет целиком лежать в одной полуплоскости, а другое - в другой (на линии разреза могут располагаться точки обоих множеств). Отделяющая их прямая в одних случаях оказывается единственно возможной, в других - нет.

Граничная точка любого выпуклого множества сама может рассматриваться как выпуклое множество, не имеющее с исходным множеством общих внутренних точек, следовательно, она может быть отделена от него некоторой прямой. Прямая, отделяющая от выпуклого множества его граничную точку, называется опорной прямой этого множества в данной точке. Опорные прямые в одних точках контура могут быть единственными, в других - не единственными.

Введем на плоскости систему декартовых координат х, у. Теперь у нас появилась возможность рассматривать различные фигуры как множества таких точек, координаты которых удовлетворяют тем или иным уравнениям или неравенствам (если координаты точки удовлетворяют какому-либо условию, будем для краткости говорить, что сама точка удовлетворяет этому условию).