内点法

文字理解

内点法属于约束优化算法。约束优化算法的基本思想是：通过引入效用函数的方法将约束优化问题转换成无约束问题，再利用优化迭代过程不断地更新效用函数，以使得算法收敛。
内点法（罚函数法的一种）的主要思想是：在可行域的边界筑起一道很高的“围墙”，当迭代点靠近边界时，目标函数徒然增大，以示惩罚，阻止迭代点穿越边界，这样就可以将最优解“档”在可行域之内了。

数学定义

对于下面的不等式约束的优化问题：

[min f(x), x in R^n ]

[s.t quad g_{i}(x) leq0, i=1,2,...,m ]

利用内点法进行求解时，构造惩罚函数的一般表达式为

[varphi (X, r)=f(X)-rsum_{i=1}^{m}frac{1}{g_{i}(X)} ]

或者

[varphi (X, r)=f(X)-rsum_{i=1}^{m}{ln[-g_{i}(X)]} ]

算法步骤

1. 取初始惩罚因子(r^{(0)}>0)，允许误差(epsilon>0)；
2. 在可行域(D)内选取初始点(X^{(0)})，令(k=1)；
3. 构造惩罚函数(varphi (X, r^{(k)}))，从(X^{(k-1)})点出发用无约束优化方法求惩罚函数(varphi (X, r^{(k)}))的极值点((X^{*}, r^{(k)}))；
4. 检查迭代终止准则：如果满足$$|X^{} r^{(k)}-X{} r^{{(k-1)}|leqepsilon_{1}=10}{-5}-10^{-7}$$或者$$|frac{varphi (X^{} ,r^{(k)})-varphi (X^{}, r^{(k-1)})}{varphi (X^{*}, r^{{(k-1)})}|leqepsilon_{2}=10}{-3}-10^{-4}$$则停止迭代计算，并以((X^{*}, r^{(k)}))作为原目标函数(f(X))的约束最优解，否则转入下一步；
5. 取(r^{(k+1)}=cr^{(k)})，(X^{(0)}=X^{*}r^{(k)})，(k=k+1)，转向步骤3。递减系数(c=0.1-0.5)，通常取0.1。

内点惩罚函数法特点及其应用

• 惩罚函数定义于可行域内，序列迭代点在可行域内不断趋于约束边界上的最优点（这就是称为内点法的原因）
• 只适合求解具有不等式约束的优化问题

内点法求解案例

用内点法求下面约束优化问题的最优解，取迭代初始(X^0 = [0, 0]^{mathrm{T}})，惩罚因子的初始值(r^0 = 1)，收敛终止条件(|X^k - X^{k-1}| leq varepsilon)，(varepsilon = 0.01)

[min f(X) = x_1^2 + x_1^2 - x_1x_2 - 10x_1 - 4x_2 + 60 ]

[mathrm{s.t.}; g(X) = x_1 + x_2 -8 leq 0 ]

1. 构造内惩罚函数：(varphi(X, r) = x_1^2 + x_1^2 - x_1x_2 - 10x_1 - 4x_2 + 60 -rln(x_1 + x_2 -8))
2. 用解析法求内惩罚函数的极小值

[ ablavarphi(X, r) = [2x_1 - x_2 - 10 - frac{r}{x_1 + x_2 - 8} quad 2x_2 - x_1 - 4 - frac{r}{x_1 + x_2 - 8}] ]

令( abla varphi(X, r) = 0)得：(egin{align}2x_1 - x_2 - 10 - frac{r}{x_1 + x_2 - 8} = 0 \ 2x_2 - x_1 - 4 - frac{r}{x_1 + x_2 - 8} = 0end{align})

解得：

(X^*_1(r) = egin{bmatrix}frac{13 + sqrt{9+2r}}{2} & frac{9 + sqrt{9+2r}}{2}end{bmatrix}^{mathrm{T}})

(X^*_2(r) = egin{bmatrix}frac{13 - sqrt{9+2r}}{2} & frac{9 - sqrt{9+2r}}{2}end{bmatrix}^{mathrm{T}})

(ecause g(X^*_1(r)) > 0)

( herefore) 舍去(X^*_1(r))

(ecause varphi(X, r))为凸函数

( herefore) 无约束优化问题的最优解为(X^*(r) = X^*_2(r) = egin{bmatrix}frac{13 - sqrt{9+2r}}{2} & frac{9 - sqrt{9+2r}}{2}end{bmatrix}^{mathrm{T}})

1. 求最优解

当(r^0 = 1)时，(X^*(r^0) = egin{pmatrix}4.8417 & 2.8417end{pmatrix}^{mathrm{T}})，(|X^*(r^0) - X^0| = 5.6140 > varepsilon)

当(r^1 = 0.1)时，(X^*(r^1) = egin{pmatrix}4.9834 & 2.9834end{pmatrix}^{mathrm{T}})，(|X^*(r^1) - X^*(r^0)| = 0.2004 > varepsilon)

当(r^2 = 0.01)时，(X^*(r^2) = egin{pmatrix}4.9983 & 2.9983end{pmatrix}^{mathrm{T}})，(|X^*(r^2) - X^*(r^1)| = 0.0211 > varepsilon)

当(r^3 = 0.01)时，(X^*(r^3) = egin{pmatrix}4.9998 & 2.9998end{pmatrix}^{mathrm{T}})，(|X^*(r^3) - X^*(r^2)| = 0.0021 < varepsilon)

即(X^*(r^3))为最优解