TrườngĐạiHọcSưPhạmThànhPhốHồChíMinh
KhoaToán
Chuyênđề:
Môn:Lýthuyếttốiưuphituyến
GVGD:Ts.TrịnhCôngDiệu
SVTH:
1. ThiềuThịThủyNgân
2. NgôThụyHồngDiễm
3. TrươngHoàngNhu
Tháng01/2015
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
2
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
PHÂN CÔNG NHÓM
Phần 1: Các khái niệm cơ bản
Sinh viên thực hiện: Thiều Thị Thủy Ngân và Ngô Thủy Hồng Diễm
Phân 2: Phụ lục C
Sinh viên thực hiện: Trương Hoàng Nhu
Tổng hợp: Thiều Thị Thủy Ngân
STT HỌ VÀ TÊN TRANG
1 THIỀU THỊ THỦY NGÂN 20 – 27
2 NGÔ THỤY HỒNG DIỄM 28 – 34
3 TRƯƠNG HOÀNG NHU 210 - 218
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
3
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
Tóm tắt nội dung chuyên đề
Chương 1:Giớithiệubàitoán(Vấnđềtốiưuphituyến,Sơbộcáckháiniệm
vàkíhiệu)
Các khái niệm cơ bản
1. Vấnđềtốiưuphituyến
1.1. Điềukiệnràngbuộcbấtđẳngthức
1.2. Điềukiệnràngbuộcđẳngthức
1.3.
1
, ,
n
x x
1.4.
1 1
maximum , , minimum , ,
n n
x x x x
1.5. Bàitoán
2. Tậphợpvàkíhiệu
3. Vectors
3.1. n–vector
3.2.
n
R
3.3. Vectorcộngvànhânbởimộtsốthực
3.4. Độclậptuyếntínhvàphụthuộctuyếntính
3.5. Tổhợptuyếntính
3.6. Tíchvôhướng
3.7. Tiêuchuẩncủavector
3.8. BấtđẳngthứcCauchy–Schwarz
3.9. Khoảngcáchgiữa2điểm
3.10. Bàitoán
3.11. Gócgiữahaivector
4. Matrận
4.1. Dạng1
4.2. Dạng2
4.3. Dạng3
4.4. Dạng4
4.5. Dạng5
4.6. Dạng6
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
4
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
4.7. Dạng7
4.8. Dạng8
4.9. Dạng9
4.10. Dạng10
4.11. Dạng11
4.12. Dạng12
4.13. Dạng13
4.14. Dạng14
4.15. Dạng15
4.16. Dạng16
4.17. Dạng17
4.18. Dạng18
4.19. Dạng19
4.20. Dạng20
4.21. Dạng21
4.22. Dạng22
4.23. Mạtrậnkhácrỗng
5. Ánhxạhàmvàhàm
5.1. Ánhxạ
5.2. Hàm
5.3. Hàmtrịsố
5.4. Hàmvector
5.5. HàmvectortuyếntínhtrênR
n
6. Kíhiệu
6.1. Vectorvàsốthực
6.2. Chỉsốdưới
6.3. Chỉsốtrên
6.4. Zero
6.5. Matrận
6.6. Tậphợp
6.7. Quanhệsắpthứtự
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
5
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
6.8. Cácbàitoántốiưuphituyến
6.9. Tínhkhảthi
6.10.
Phụ lục C(210)
Hàm liên tục và nửa liên tục
Cực trị của tập và của hàm (Phụ lục C)
1. Hàmliêntụcvànửaliêntục
1.1. Hàmliêntụcvànữaliêntục
1.2. Hàmnửaliêntụcchặndưới
1.3. Hàmnửaliêntụcchặntrên
1.4. Chúthích
1.5. Vídụ
1.6. Địnhlý
1.7. Hệluận
2. Cậndướiđúng(Cậntrênđúng)vàcựctiểu(cựcđại)củatậpcácsốthực
3. Cậndướiđúng(Cậntrênđúng)vàcựctiểu(cựcđại)củahàmsốthực
3.1. Hàmgiớinội
3.2. Cậndướiđúngcủahàmsốthực
3.3. Cậntrênđúngcủahàmsốthực
3.4. Vídụ
3.5. Cựctiểucủahàmsốthực
3.6. Cựcđạicủahàmsốthực
3.7. Tồntạisốcựcđại,cựctiểucủahàmsốthực
Địnhlý
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
6
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
CHƯƠNG TRÌNH CHUYÊN ĐỀ TỐI ƯU PHI TUYẾN
Chương 1:
Giới thiệu bài toán
(Vấnđềtốiưuphituyến,Sơbộcáckháiniệmvàkíhiệu)
Các khái niệm cơ bản
7. Vấn đề tối ưu lập trình phi tuyến
1
Bàitoántốiưulậptrìnhphituyếnmàchúngtaquantâmsẽcó3thànhphầncơbản:
Mộtsốhữuhạncủabiếnthực,mộtsốhữuhạncủabiếnràngbuộcmàbiếnphải
thỏa,vàhàmcủabiếnphảiđạtcựctiểu(cựcđại).Vềmặttoánhọcchúngtacóthể
phátbiểuvấnđềnhưsau:Tìmgiátrịđặctrưng
1
, ,
n
x x
nếunótồntạicủabiếnsố
1
, ,
n
x x
mànóthỏamãnràngbuộcnhữngbấtđẳngthứcsau:
7.1. Điều kiện ràng buộc bất đẳng thức
1)
1
, , 0, 1, ,
i n
g x x i m
7.2. Điều kiện ràng buộc đẳng thức
2)
1
, , 0, j 1, ,k
j n
h x x
7.3. Cực tiểu hóa (cực đại hóa) của hàm mục tiêu:
3)
1
, ,
n
x x
Trêntấtcảcácgiátrịcủa
1
, ,
n
x x
thỏa1)và2).Ởđây
, ,
i j
g h
làhàmsố
2
củabiến
1
, ,
n
x x
màđượcđịnhnghĩachotấtcảcácgiátrịhữuhạncủabiến.Sựkhácbiệtcơ
bảngiữavấnđềnàyvàcácvấnđềhạnchếtốithiểuhóacổđiểncủacácphéptính
thôngthường[Courant47,Fleming65]
3
làsựhiệndiệncủabấtđẳngthức1).Như
vậybấtđẳngthứcsẽđóngvaitròquantrọngtronglậptrìnhphituyếnvàsẽđược
nghiêncứumộtcáchchitiết.
1
Nhằm giới thiệu các vấn đề trong các phần đầu tiên của cuốn sách, một số không xác định (hàm, biến
thực, ràng buộc, ) phải giải thích qua trực giác trong thời gian tới. Vấn đề sẽ được nêu một cách chặt
chẽ ở phần cuối của chương (xem 1.6.9 đến 1.6.12)
2
Các khái niệm của một hàm số sẽ được xác định chính xác trong sec. 1.5. Đối với các mặt của hàm
số của
1
, ,
n
x x
. Chúng có nghĩa là sự tương ứng mà ta gán một số thực mỗi n – phức của giá trị
thực mà biến
1
, ,
n
x x
được gán.
3
Điều này đề cập đến các tác phẩm của Courant, viết năm 1947 và Fleming, viết năm 1965. Như được
liệt kê trong tài liệu tham khảo ở mặt sau của tài liệu. Hệ thống này của tài liệu tham khảo sẽ được sử
dụng trong suốt cuốn sách với một ngoại lệ [Gordan 73] đề cập đến sách viết Gordan năm 1873.
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
7
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
Nhưmột vídụvề cácvấnđềnêu trêntaxemxét cáctrường hợp đượcthểhiện
tronghình1.1.1.Ởđâychúngtacón=2(2biến
1 2
,x x
),m=3(3ràngbuộccủabất
đẳngthức),vàk=1(mộtràngbuộcđẳngthức).Mỗimộtđườngcongtronghình
1.1.1.thuđượcbằngcáchthiếtlậpmộtsốhàmsốtươngđươngvớihàmsốthực
như
1 2
, 5
x x
hoặc
2 1 2
, 0
g x x
.Mũitênngắntrênđườngcong
1 2
, 0
i
g x x
chỉracạnhtheohướngmàtrongđó
i
g
tăngvàdođótấtcả
1 2
,x x
phảinằmởphía
đốidiệncủanhữngđườngcongnếunóthỏa1).
Như vậy tất cả
1 2
,x x
nằm trong khu vực vùng tối của hình 1.1.1 để thỏa 2)
1 2
,x x
phải nằm trên đường cong
1 1 2
, 0
h x x
. Cácgiải pháp cho bài toán là
1 2
,x x
đâylàđiểmtrênđườngcong
1 1 2
, 0
h x x
màtạiđó
giảđịnhlàgiátrị
thấpnhấttrongtậphợptấtcả
1 2
,x x
thỏa
1 2
, , 0, 1,2,3
i
g x x i
.Trongnhững
tìnhhuốngphứctạphơnởđón,m vàkcóthểlớn,nósẽkhôngdễđểgiảiquyết
Hình1.1.1:Mộtkiểuđiểnhìnhtrongbàitoánlập
trìnhphituyếntronghaibiến
1 2
,x x
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
8
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
đượccácvấnđềtrên.Sauđóchúngtasẽquantâmtớiviệcthuthậpcácđiềucần
thiếtvàhoặcđủđiềukiệnmàmộtđiểm
1
, ,
n
x x
phảiđápứngđểnócóthểgiải
quyếtcácbàitoánlậptrìnhphituyến1đến3.Cácđiềukiệntốiưuhìnhthànhcác
điểmthenchốtcủalậptrìnhphituyến.
Đểgiảiquyếtcácbàitoáncủacácloạitrênchúngtasẽgiảmchúngxuốngbàitoán
cựctiểuhóa.Bàitoáncựcđạihóacóthểdễdàngchuyểnđổisangbàitoáncựctiểu
hóabằngcáchsửdụnglạitínhchấtđồngnhấtthức
7.4.
1 1
maximum , , minimum , ,
n n
x x x x
7.5. Bài toán
Giảiquyếtvềmặtđồthịnhưtađãchỉratronghình1.1.1theobàitoánlậptrìnhphi
tuyến:
- Cựctiểuhóa
1 2
,
x x
Minhhọa:
2
1 2
2 2
1 2
2 0
1
x x
x x
8. Tập hợp và kí hiệu
Chúngtasẽsửdụngmộtsốbiểutượngvàkháiniệmcơbảntừlýthuyếttậphợp
[Anderson–Hall63,Hamilton–Landin61,Berge63].Trongtrườnghợpđặcbiệt
tập
làmộttậphợpbấtkỳdạngmàđượcđịnhbởiphầntửhoặcđiểmcủa
.Cho
vídụminhhọanếuchúngtacóthểchoR(tậpsốthựchoặcdòngthực)biểuthịtập
hợpcủatấtcảsốthực,thì7làphầntửhoặcđiểmcủaR.Chúngtasửdụngbiểu
tượng
đểbiểuthịmộtthựctếlàmộtphầntựthuộcvềmộttập.Vídụchúngta
viết
7
R
,đểđơngiảnhơn,thỉnhthoảngchúngtacũngviết
5,7
R
thayvìviết
5 ,7
R R
.
Nếu
và
là2tập,chúngtanói
thìchứatrong
,
làtrong
,
làtậpcon
của
,hoặc
chứatrong
,nếumỗiphầntửcủa
cũnglàmộtphầntửcủa
vàtaviết
hoặc
.
Nếu
và
chúngtaviết
Mộtdấugạchngangcủakíhiệubiểuthịphủđịnhcủanó.Dođó
x
và
biểuthịtươngứnglàxthìkhônglàphầntửcủa
và
khônglàtậpconcủa
.
Tậprỗnglàtậpkhôngchứaphầntửnàovàbiễudiễnbởi
.
Đôikhichúngtabiễudiễnmộttậpbởi
, ,x y z
nếutậphợpđượchìnhthànhbởi
tậpcácphầntử
, ,x y z
.Đôikhimộttậphợpđượcđặctrưngbởimộtthuộctínhmà
cácyếutốcủanóphảicó,trongtrườnghợpnàychúngtaviết
{ |x x
thỏatính
}P
Vídụ:Tậpcácsốthựckhôngâmcóthểđượcviếtnhư
| , 0
x x R x
Tậphợpcácphầntửthuộctronghaitập
hoặc
thìđượcgọilàhợpnhấtcủacác
tậphợp
và
vàđượcbiểudiễnbởi
Chúngtacó:
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
9
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
{ |x x
hoặc
}
x
Tậphợpcácphầntửthuộcítnhấtmộttrongcácbộ(hữuhạnhoặcvôhạn)thuộchọ
của tập
i
i I
thì được gọi là hợp của họ và được kí hiệu
i
i I
sau đó
{ |
i i
i I
x x
đốivới
}i I
Tậphợpcácphầntửthuộccảhaitập
và
thìđượcgọilàsựgiaonhaucủatập
và
vàđượckíhiệubởi
.Khiđócó
{ |x x
và
}
x
Tậphợpcácphầntửthuộctấtcảcácbộ(hữuhạnhoặcvôhạn)thuộchọcủatập
i
i I
thì được gọi là giao điểm của họ và được kí hiệu
i
i I
sau đó
{ |
i i
i I
x x
đốivới
}i I
Haitập
và
làrờinhaunếunókhônggiaonhau,nghĩalà,nếu
Phéphiệucủatập
và
làtậphợpcủanhữngphầntửcủa
khôngcótrong
vàđượckýhiệulà
.Chúngtacó
| ,x x x
Ởphíatrênnókhôngđượcgiảđịnhmộtcáchtổngquátcho
.Tuynhiên
thì
đượcgọilàphầnbùcủa
tươngđốiđến
.
Phéptíchcủahaitập
và
,kýhiệubởi
x
đượcđịnhnghĩanhưcặpđượcsắp
,x y
trongđó
x
và
y
.Chúngtacó
, | ,x x y x y
Hình1.2.1Tíchcủahaitập
x
của
và
Phéptíchcủantập
1
, ,
n
biểudiễnbởi
1 2
n
x x x
làđịnhnghĩabởitậpđược
sắpn–bộ
1
, ,
n
x x
trongđó
1 1
, ,
n n
x x
.Chúngtacó
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
0
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
1 2 1 1 1
, , | , x
n n n n
x x x x x x
Nếu
1 2
n
,thìchúngtaviết
n
x x x
Nếuchúngtacho
| ,1 3
x x R x
| ,1 2
x x R x
thì
, | , ,1 3,1 2
x x y x R y R x x
Hình1.2.1môtảtập
x
.Tập
2
R RxR
màcóthểbiểudiễnbởicácđiểmtrên
mặt,đógọilàmặtEuclidean.
Nhữngkíhiệusauđâysẽđượcsửdụng:
-
x
đọclàvớimỗix
-
x
đọclàtồntạimộtx
-
hiểulàkéotheo
-
hiểulàbaohàmlại
-
hiểulàtươngđương
(Dấu
/
ngangquabấtkỳmộttrongbakíhiệuđềumangnghĩaphủđịnhlạichính
nó.)
Phátbiểuvídụ“mỗixcótồntạimộtynhư
, 1
x y
“cóthểđượcviết:
: , 1
x y x y
Sựphủđịnhcủaphátbiểutrênđượccóthểmặcđịnhđượcviếtlạinhưsau:
: , 1
x y x y
Thôngthườngchúngtasẽhướngtheomốiquanhệnhấtđịnhnhưmộtphươngtrình
haymộtbấtđẳngthứcbởimộtsốhoặccácchữsốLaMãnhưlàIhoặcII.
Takíhiệu
I II
nghĩalàhệthức
I
kéotheohệthức
II
.Trong
I
hoặc
II
(
I
hoặc
II
) biểuthị phủđịnhcủa hệthứcgọi làchữ số. Chắnchắn thìphátbiểu
I II
làtươngđươnglogic
I II
.Dođó
I II I II
9. Vectors
9.1. n – vector
Mộtn–vectorhoặckhônggianvectorn–chiềux,chobấtkỳsốnguyêndươngn,
làmộtn–bộ
1
, ,
n
x x
củasốthực.Sốthực
i
x
gọilàthànhphầnthứihoặccác
hoặccácphầntửcủavectorx.
9.2.
n
R
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
1
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
Chon–nguyên(thực)Euclideantrongkhônggian
n
R
,vớibấtkỳnnguyên
dương,làtậptấtcản–vector.
Theochúthích
n
x R
cónghĩalàxlàmộtphầntửtrongkhônggian
n
R
,và
dođó,slàmộtn–vector.Thôngthườngchúngtađềcậptớixlàmộtđiểm
trong
n
R
.
1
R
,hoặcđơngiản
R
,saumộtđườngtronghìnhhọcƠclit(tập
tấtcảcácsốthực),
2
R
làmặttronghìnhhọcƠclit(tậptấtcảcáccặpđược
sắpcủasốthực),và
n
R RxRx xR
(nlần)
9.3. Vector cộng và nhân bởi một số thực
Cho
,
n
x y R
và
R
.Lấytổng
x y
đượcđịnhnghĩabởi:
1 1
, ,
n n
x y x y x y
Vàphépnhậncủasốthực
x
đượcđịnhnghĩabởi:
1
, ,
n
x x x
9.4. Độc lập tuyến tính và phụ thuộc tuyến tính
Chovector
1
, ,
m n
x x R
đượccholàđộclậptuyếntínhnếu
1 1
1 2
1
0
0
, ,
m m
m
m
x x
R
Nóicáchkhác,làđộclậptuyếntính(ởđâyvàởnhữngnơikhác0biểuthịzerolà
sốthựchoặcmộtvectormàmỗithànhphầncủanóđềulàzero.)
9.5. Tổ hợp tuyến tính
Chovector
n
x R
làtổhợptuyếntínhcủa
1
, ,
m n
x x R
nếu
1 1
m m
x x x
với
1
,
m
R
vànólàmộttổhợptuyếntínhkhôngâmcủa
1
, x
m
x
nếucộng
thêmvàođẳngthứctrênphép
1
, 0
m
.Số
1
,
m
gọilàtrọngsố.
Liênquanđếncáckháiniệmkéotheophépcộngvectorvàphépnhânđịnhnghĩa
bởimộtvectorvôhướngtrongkhônggiancủavector
n
R
.Nókhôngđủtuynhiên
đểxácđịnhkháiniệmvềkhoảngcách.Nhằmmụcđóchúngtaxácđịnh
9.6. Tích vô hướng
Tíchvôhướng
xy
của2vector
,
n
x y R
đượcđịnhnghĩabởi
1 1
n n
xy x y x y
9.7. Tiêu chuẩn của vector
Chuẩn
x
của một vector
n
x R
được định nghĩa bởi
1
1
2 2
2
2
1
n
x xx x x
9.8. Bất đẳng thức Cauchy – Schwarz
Cho
,
n
x y R
thì
.xy x y
Ởđây
xy
làgiátrịtuyệtđốicủasốthực
xy
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
2
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
Chứng minh: Cho
,
n
x y R
cố định. Với bất kỳ
R
:
2
2 0
x y x y xx xy yy
Dođócăncủaphươngtrìnhbậchaitheo
2
2 0
xx xy yy
Khôngthểlàsốthựckhácbiệtvànhưvậy
2
xy xx yy
KhiđótacóđượcbấtđẳngthứcCauchy-Schwart
9.9. Khoảng cách giữa 2 điểm
Cho
,
n
x y R
làsốkhôngâm
,
x y x y
đượcgọilàkhoảngcáchgiữahai
điểmxvàytrong
n
R
.
9.10. Bài toán
Thiếtlậpmộtthựctếrằng
n
R
làmộtkhônggianmatrậnđượcbiểudiễnbởi:
,x y
, 0
x y
, 0
x y x y
, y, x
x y
,z , ,x x y y z
(bấtđẳngthứctamgiác)
(Gợiý:SửdụngbấtđẳngthứcCauchy-Schwarzđểthiếtlậpbấtđẳngthứctamgiác)
9.11. Góc giữa hai vector
Cho
x
và
y
là2vectorkhôngcùngphươngtrong
n
R
.Góc
tạobởi2vector
x
và
y
đượcđịnhnghĩabởicôngthức
cos =
.
xy
x y
0
Định nghĩa này của góc phù hợp cho
2,3
n
với một trong hình học giải tích.
Vectorkháckhông
x
và
y
làtrựcgiaonếu
0
xy
2
.
Tạothànhgócnhọnvớinhaunếu
0 0
2
xy
Tạothànhgócnhọnhẹpnếu
0 0 2
xy
Tạothànhmộtgóctùnếu
0
2
xy
Vàtạothànhmộtgóctùhẹpnếu
0
2
xy
10. Matrận
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
3
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
10.1. Dạng 1
Mặcdùsựquantâmcủachúngtalàvấnđềphituyếntính,hệtuyếntínhbậcnhất
sauđâysẽđượcgặpthườngxuyên:
11 1 1 1
1 1
n n
m mn n m
A x A x b
A x A x b
ởđây
ij
A
và
, 1, , , 1, ,
i
b i m j n
đượccholàsốthực.Chúngtacóthểviếtngắn
gọnhệtrênbằngcáchsửdụngcáckháiniệmởphầntrước.Nếuchúngtacó
i
A
biễu
diễn
n
-vectorcónthànhcónthànhphầnlà
ij
, 1, ,A j n
vànếuchúngtacho
n
x R
,thìhệtrênlàtươngđương.
10.2. Dạng 2
i i
A x b
1, ,i m
Ở
2
,chúngtagiảithích
i
A x
nhưlàmộttíchvôhướng1.3.6của
i
A
và
x
.Nếu
chúngtatiếptụccho
Ax
biễudiễnmộtm-vectormàthànhphầnlà
A x,i=1, ,m
i
và
b
là
m vector
mà
m
thànhphầnlà
i
b
.Nhưvậytacóđược1và2làtương
đươngnhau.
10.3. Dạng 3
Ax
b
Đểphùhợpvớikýhiệulý thuyếtma trận thường, chúng ta định nghĩa ma trận A
m n
nhưsau
11 1
1
n
m mn
A A
A
A A
DòngthứicủamatrậnAsẽcónghĩalà
i
A
vàsẽlàmộtn-vectơ.Dođó
1 2
, ,. . . 1, . . . ,
i i i in
A A A A i m
CộtthứjcủamatrậnAsẽcónghĩalàA
.j
vàsẽlàmộtm-vectơ.Dođó
1
2
.
.
.
.
j
j
j
mj
A
A
A
A
ChuyểnvịcủamatrậnAlàgọi
'
A
vàđượcđịnhnghĩabởi
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
4
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
11 1
'
1
m
n mn
A A
A
A A
11 1
1
n
m mn
A A
A
A A
(4)
DòngthứicủamatrậnAsẽđượcxácđịnhbởimộtn-vectơ
i
A
.Dođó:
1 2
, ,. . . 1, . . . ,
i i i in
A A A A i m
(5)
CộtthứjcủamatrậnAsẽđượcxácđịnhbởimộtm-vectơA
j
.Dođó
1
2
.
.
.
.
j
j
j
mj
A
A
A
A
(6)
NếugọiA’làmatrậnchuyểnvịcủamatrậnA,thì:
11 1
'
1
m
n mn
A A
A
A A
(7)
HiểnnhiêndòngthứicủaAbằngvớicộtthứicủaA’,vàcộtthứjcủaAbằngvớidòngthứj
củaA’. Do đó:
' '
.
.
i i
i
A A A
(8)
' '
.
j j
j
A A A
(9)
Hai(8)và(9)lầnlượtlàđịnhnghĩacủa
'
.i
A
và
'
j
A
.Vì
ij
A
làmộtsốthựcnằmởdòngi,cộtj
củaA,chonênnếutagọi
'
ji
A
làmộtsốthựctrongdòngj,cộticủa
'
A
;tacó
'
ij ji
A A
(10)
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
5
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
Từ(1),(2),và(3),tacó:
.
1
n
j j
j
A x b
(11)
VớiA
j
,blàcácvectortrongR
m
;x
j
làcácsốthực.
(2)cóthểđượcxemnhưlàmột
bàitoántrong
n
R
và(11)cóthểđượcxemnhưlàmộtbàitoántrong
m
R
.
Ở(2),tatìmmột
n
x R
thoảtíchvôhướngb
i
(hoặccácgóc,thamkhảo
mục1.3.11)vớin-vectorA
i
vớii = 1, . . . , m.Trong(11),tacón + 1
vector(
. j
A
(j = 1, . . . , n);b)trongR
m
,tacầntìmn trọngsốx
1
,…,x
n
sao
choblàmộttổhợptuyếntínhcủacácvectơ
. j
A
.Haihệ(2)và(11)sẽ
đượcsửdụngđểgiảithíchmộtsốđịnhlýquantrọngtrongcácchương
tiếptheo.
MatrậnAcấp
m n
trong(4)cóthểtạoramộthệcácphươngtrìnhtuyến
tínhyA,đượcxácđịnhnhưsau:
' '
.
1 1
m m
i i i i
i i
yA A y A y A y
(12)
Với
.
m
y R
Dođó,yAlà mộtkhônggianvectorn-chiềumàthành phần
thứjđượcchobởi
.
1, . . . ,
j
i
yA A y j n
(13)
Nóichung,tasẽthựchiệntheocácquyướcsửdụngchữhoaLatinđể
biểuthịmatrận.NếuAlàmộtmatrậncấp
m n
,vànếutađặt
1,2, . . . ,I M m
(14)
1,2, . . . ,I N n
(15)
thìchúngtađịnhnghĩamatrậnconcủamatrậnA(vớicáchàngvàcột
tươngứngtừcáchàngvàcộtcủaA)
|
I i
A A i I
(16)
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
6
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
Hình1.4.1Mộtmatrận
m n
vàcácmatrậnconcủanó
Hàmsố
Hàmsố
làhàmtừtậphợpXvàoR.Nóicáchkháchàmsốlàphéptươngứngmàliên
tưởngsốthựcđếnmỗiphầntửxcủaX.
VídụNếuX = R,thì
làhàmđơntrịsốthựcquenthuộc,nhưlà
sinx x
.NếuXlàtập
hợpcácsốnguyêndương,thì
gánmộtsốthựcđốichomỗisốnguyêndương,vídụnhư
1 !x x
.Nếu
n
X R
thì
làhàmđơntrịthựccủabiếnn
Hàmvectơ
Mộthàmvectơm-chiềuflàmộthàmtừtậpXvào
m
R
.Nóicáchkháchàmvectơlàphép
tươngứngmàliênkếtmộtvectơtừ
m
R
vớimỗiphầntửxcủaX.Thànhphầnmcủavectơ
( )f x
đượcgọibởi
1
, . . . ,
m
f x f x
.Mỗimộtlà
i
f
làmộthàmsốtrênX.Mộthàm
vectơfcótínhchấtchắcchắn(vídụtínhliêntục)bấtcứkhinàomỗithànhphầncủanó
i
f
có
tínhchấtđó.
Vídụ:Nếu
n
X R
,thìfliênkếtđiểmcủa
m
R
vớimỗiđiểmcủa
n
R
.Thànhphầnm của
i
f
,
1, . . . ,i m
của f làhàmsốtrên
n
R
Hàmvectơtuyếntínhtrên
n
R
Mộthàmvectơm-chiềuđịnhnghĩatrên
n
R
đượccholàtuyếntínhnếu
( )
f x Ax b
nơiAlàmộtvàimatrậncốđịnh
m n
vàblàmộtvàivectơcốđịnhtrong
m
R
.
Chonênnếuflàhàmtuyếntínhtrên
n
R
thì
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
7
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
1 2 1 2 1 2
0 ,
n
f x x f x f x f cho x x R
1 0 ,
n
f x f x f cho R x R
(Mộtcáchngượclại,haiquanhệcuốicùngcóthểđượcdùngđểđịnhnghĩahàmvectơtuyến
tínhtrên
n
R
,từđómànócóthểđượctrìnhbày
f x Ax b
[Berge63,trang159].)
Nếum = 1thìchúngtacóhàmsốtuyếntính
trên
n
R
và
x cx
trongđóclàvectơcốđịnhtrong
n
R
và
làsốthựccốđịnh
Đẳngthứchoặcbấtđẳngthứcbaogồmhàmsốtuyếntínhvectơ(hoặchàmsốtuyếntínhsố)
sẽđượcgọitựnhiênlàtuyếnbấtđẳngthứchoặcđẳngthứctuyếntính.
Ký tự
Vectơ và số thực
Nóichung,chúngtasẽtheoquyướcrằngcáckýtựLatinnhỏsẽkýhiệuvectơnhưlàa, b, c,
x, y, z hoặchàmvectơlàf, g, h.Trườnghợpngoạilệsẽkýhiệu:i, j, k, m, n,vàthỉnhthoảng
đượckýhiệukhácvớikýtựlànhữngsốnguyên.NhữngchữcáiHyLạpnhỏsẽcónghĩalà
mộtsốthực(mộtđiểmtrongR)nhưlà
, , , , ,
hoặclàhàmsốnhưlà
, ,
.
Chỉ số
MộtchữcáiLatinnhỏvớichỉsốdướisốnguyênhaylàchữcáiLatinnhỏsẽcónghĩalàmột
thànhphầncủavectơ,nóichung,vàthỉnhthoảngsẽcónghĩalàmộtvectơ.Vídụnếu
5
x R
,
thì
3
x
và
i
x
cónghĩalàthànhphầnthứ3vàthứicủax.Mặtkhác,chúngtasẽcódịpđểcho
1 2
,
m m
x R x R
… với trường hợp này sẽ được làm rõ ràng hơn. Chữ cái HyLạp hoặc
Latinnhỏvớisốnguyênsẽthỉnhthoảngđượcsủdụngnhưkýhiệusốthứtựnhưlà
1
,
i
.
Nếu
, 1, . . . ,
n
x R K N n
,vàKchứakphầntửriêngbiệt,thì
i K
x
vàlàmộtvectơ
trong
k
R
vớinhữngthànhphần
|
i
x i K
vàcónghĩalà
K
x
.DođóchữcáiLatinnhỏvới
chỉ số dưới chữ cái Latin có nghĩa là vectơ trong không gian bé hơn hoặc bằng chiều để
khônggiancủavectơunsubscripted.Đólàchỉsốchữcáilatinhnhỏvớimộtchữcáilatin
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
8
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
viếthoatrongmộtkhoảngkhônggiannhỏhơnhoặcbằngkíchthướcchỉsốdướickhônggian
véctơ
Chỉ số trên
MộtchữcáiLatinhoặcHyLạpnhỏvớimộtchỉsốtrênhoặcmộtkíhiệucaosẽcónghĩalà
mộtvectơnhấtđịnhhoặcmộtsốthực,vídụ
1 2 1
, , , , , , ,
i
x x x x x
…Mặckháclũythừa
trênsẽđượcphânbiệtbởidấuđóngngoặc,vídụ
2
x
Zero
Số0sẽkýhiệunhưsốthựchoặcmộtvectơtrong
n
R
tấtcảthànhphầnmàlàsố0
Ma trận
MatrậnsẽđượckíhiệubởichữcáiLatinviếthoanhưđượcmôtảchitiếttrongphầntrước,
phần1.4
6. Sets: Tập hợp
Tập hợp sẽ luôn được ký hiệu bởi các chữ cái in hoa kiểu Hy Lạp hoặc Latin như là
, , , , , ,R I X Y
. Các chữcáiviếthoavớichỉsốdướinhưlà:
1 2
, , ,
i
vàchữviếthoa
vớikýtựởtrênnhưlà
* 0
, X
cũngsẽbiểuthịnhưtậphợp (ví dụ phần 1.2.)
7. Mối quan hệ
Theoquyướccủađẳngthứchoặcbấtđẳngthứcsẽđượcsửdụng
Nếu
, ,
n
x y R
thì
1, . . . ,
i i
x y x y i n
1, . . . ,
i i
x y x y i n
à
x y x y v x y
1, . . . ,
i i
x y x y i n
Nếu
0
x
,xđượcgọilàkhôngâm,nếu
0
x
thìxđượcgọilàsemipositive,vànếu
0
x
thìxđượcgọilàsố dương.Mốiquanhệ
, , ,
đượcđịnhnghĩaởtrênlàcáchsắpxếp
mốiquanhệ(in
n
R
).
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
1
9
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
8. Vấn đề lập chương trình phi tuyến
Bằng việc sử dụng ký hiệu trên, vấn đề lập chương trình phi tuyến1.1.1đến1.1.3cóthể
đượcviếtlạidướidạngchungchungnhưsau.Cho
0
n
X R
,chog, h,và
lầnlượtlàmột
hàmvectơmchiều,mộthàmvectơkchiềuvàmộthàmsố,tấtcảxácđịnhtrong
0
X
.Thìvấn
đềtrởnênlà:Tìmmộtnghiệm
x
,nếunhưnótồntại,để
9.
0
min | , ( ) 0, ( ) 0
x X
x x x X x x X g x h x
Tập hợp X được gọi là vùng ràng buộc chấp nhận được, nghiệm
x
là nghiệm nhỏ nhất,
và
x
là nhỏ nhất. Tất cả các điểm x trong vùng ràng buộc chấp nhận được X được
gọi là vùng chấp nhận được hoặc đơn giản là vùng ràng buộc.
Một cách viết khác đơn giản hơn là:
0
min
x X
x
Subject to
( ) 0
g x
( ) 0
h x
Chúng ta ủng hộ cách viết chính xác và ngắn gọn 9 của bài toán bao gồm từ 10 đến 12.
Chú ý rằng nếu chúng ta cho
0
n
X R
trong bài toán trên, thì chúng ta đạt được bài
toán chương trình phi tuyến 1.1.1 tới 1.1.3
Nếu
0
n
X R
và
, g
và h đều là hàm tuyến tính trên
n
R
, bài toán 9 trở thành bài toán
chương trình tuyến tính: Tìm
x
, nếu nó tồn tại, sao cho
min | , ,
n
x X
bx bx x X x x R Ax c Bx d
tạib,cvàdđượccholàcácvectơcốđịnhtrongR
n
, R
m
và R
k
tươngứngvàAvàBđượccho
cốđịnh
m n
và
k n
matrậntươngứng
Cótồntạimộtnềnvănhọclớnvềđềtàicủalậptrìnhtuyếntính[Dantzig63,Gass64,Hadley
62,Simmonard66].Nóđượcnhậnxétrằngvấnđề13làtươngđươngđểtìmmộtnghiệm
x
saocho
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
2
0
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
ax | , ,
n
x X
bx m bx x X x x R Ax c Bx d
KhiBvàdkhôngcómặtcôngthứcnày,14trởthànhdạngchuẩnképcủabàitoánlậptrình
tuyếntính[Simmonard66,trang95].
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
2
1
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
Phụ lục C(210)
Hàm liên tục, nửa liên tục và Cực trị của tập và của hàm
(Phụ lục C)
4. Hàmliêntụcvànửaliêntục
Hàmsố
xácđịnhtrêntập
n
đượcgọilàliên tụctại
0
x
nếuthỏamột
trongcácđiềukiệnsauđâylàtươngđương:
(i)
0
0
0, 0: ( ) ( )
x x
x x
x
(ii)
1 2
, , ,
n
x x x
hội tụ về
0
x
,
0
lim ( ) (lim ) ( )
n n
n n
x x x
thì
liêntụctại
0
x
,
trên
nếu
liêntụctạimọi
0
x
.
(iii) Tập
{ | , ( ) }
x x x
và
{ | , ( ) }
x x x
làmộttậpđóngtrong
với
.
(iv) Tập
{ | , ( ) }
x x x
và
{ | , ( ) }
x x x
làmộttậpmởtrong
với
.
(v) Đồthịhàm
trênmiền
0
{(x, ) | , , ( ) }
G x x
và
0
{(x, ) | , , ( ) }
H x x
đóng
trên
x
.
1. Hàm liên tục bên trái
Hàmsố
xácđịnhtrêntập
n
đượcgọilànửaliêntụctạitrái
0
x
nếuthỏa
mộttrongcácđiềukiệnsauđâylàtươngđương:
(i)
0
0
0, 0: ( ) ( )
x x
x x
x
(ii)
1 2
, , ,
n
x x x
hộitụvề
0
x
,
0
liminf ( ) (lim ) ( )
n n
n n
x x x
với
liminf ( )
n
n
x
làcậndướiđúngcủacácsố
1 2
( ), ( ), , ( ).
n
x x x
liêntụcbêntráitại
0
x
nếunólànửaliêntụctráivàthỏamộttrongcácđiều
kiệntươngđươngsauđây:
(iii)
{ | , ( ) }
x x x
làmộttậpđóngtrong
với
.
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
2
2
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
(iv)
{ | , ( ) }
x x x
làmộttậpmởtrong
với
.
Đồthịhàm
trênmiền
0
{(x, ) | , , ( ) }
G x x
đóngtrên
x
.
2. Hàm liên tục phải
Hàmsố
xácđịnhtrêntập
n
đượcgọilànửaliêntụctạiphải
0
x
nếuthỏa
mộttrongcácđiềukiệnsauđâylàtươngđương:
(i)
0
0
0, 0: ( ) ( )
x x
x x
x
(ii)
1 2
, , ,
n
x x x
hộitụvề
0
x
,
0
limsup ( ) (lim ) ( )
n n
n n
x x x
với
limsup ( )
n
n
x
làcậntrênđúngcủacácsố
1 2
( ), ( ), , ( ).
n
x x x
liêntụcbênphảitại
0
x
nếunólànửaliêntụcphảivàthỏamộttrongcácđiều
kiệntươngđươngsauđây:
(iii) Tập
{ | , ( ) }
x x x
làmộttậpđóngtrong
với
.
(iv)
{ | , ( ) }
x x x
làmộttậpmởtrong
với
.
Đồthị
0
{(x, ) | , , ( ) }
H x x
đóngtrên
x
.
3. Chú ý
Hàmsố
xácđịnhtrêntập
n
lànửaliêntụctạitrái
0
x
khivàchỉkhi
là
nửaliêntụctạiphải
0
x
.
liêntụctại
0
x
nếuvàchỉnếunónửaliêntụctráivà
nửaliêntụcphảitại
0
x
4. Ví dụ
(i)
, 1
( )
1
, 1
2
x x
x
x
làliêntụctráitrên
(hìnhC.1.1)
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
2
3
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
(ii)
2
, 0
( )
1
, 0
2
x x
x
x
lànửaliêntụcphảitrên
(hìnhC.1.2)
5. Định lý
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
2
4
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
( )
i i I
(hữuhạnhayvôhạn)làbaocủatậpcáchàmnửaliêntụctráitrên
n
,nó
làmộtcậntrênnhỏnhất
( ) sup (x)
i
i I
x
lànửaliêntụctráitrên
.Nếu
I
hữuhạn
thìcậndướilớnnhất
( ) inf (x)
i
i I
x
nửaliêntụctráitrên
.
Chứngminh:
Từ2(iii)vàB.1.13(i)tacó:
thì
{ | ( ) } { |sup ( ) } { | ( ) }
i i
i I
i I
x x x x x x
làtậpđóng.
Từ2(iii)vàB.1.13(ii)
Tacó:
thì
{ | ( ) } { | inf ( ) } { | ( ) }
i i
i I i I
x x x x x x
làtậpđóng.
6. Hệ quả
( )
i i I
(hữuhạnhayvôhạn)làbaocủatậpcáchàmnửaliêntụcphảitrên
n
,
nólàmộtcậndướilớnnhất
( ) inf (x)
i
i I
x
lànửaliêntụcphảitrên
.Nếu
I
hữu
hạnthìcậntrênnhỏnhất
( ) sup (x)
i
i I
x
nửaliêntụcphảitrên
.
2.Cậndưới(trên),giátrịnhỏnhất(lớnnhất)củatậpsốthực.
TheoB.2.8tađịnhnghĩacậndướivàcậntrêncủamộttập
:
i.
inf
0 :
x x
x x
ii.
sup
0 :
x x
x x
,
khôngnhấtthiếtlàtrong
,tuynhiênnếu
,
nằmtrong
thìtagọichúng
tươngứnglà
min ,max
.
3.Giátrịnhỏnhất(lớnnhất)
Theo2thìnếu
inf
thìđượcgọilàgiátrịnhỏnhấtcủa
.
sup
thìgọilà
giátrịlớnnhấthaytươngđươngvới:
Chuyên đề môn Lý Thuyết Tối Ưu Phi Tuyến
GVHD: TS.Trịnh Công Diệu
2
5
Các khái niệm cơ bản của lý thuyết tối ưu phi tuyến và phần phụ lục hàm liên
tục và nữa liên tục, cực trị của tập và của hàm
i.
min
x x
ii.
max
x x
3.inf(sup),min(max)củamộthàmsố
1.Hàmbịchặn
làmộthàmxácđịnhtrên
,tanói
bịchặndướinếu
( )x x
.
đượcgọilàmộtchậndướicủa
4. Ví dụ
infe 0
x
sup
x
x R
e
infe
x
sup
x R
x
inf sin 1
x R
x
supsin 1
x R
x
5.Giátrịnhởnhấtcủahàmsố
Đặt
làmộthàmsốxácđịnhtrênr.Nếucítồntạimột
x
nhưsau:
( ) (x)
x x
Thì
( )x
đượcgọilàđiểmnhỏnhấtcủa
trên
,tacó:
6.Giátrịlớnnhấtcủahàmsố:
Đặt
làmmộthàmsốxácđịnhtrêntập.Nếunótồntạimột
x
nhưsau:
( ) (x)
x x
Thì
( )x
đượcgọilàđiểmlớnnhấtcủa
trên
,tacó:
( ) min ( ) inf ( )
x x
x x x
( ) max ( )
x
x x