罚函数法python 罚函数法原理

啥是罚函数

M为足够大的正数, 起"惩罚"作用, 称之为罚因子, F(x, M )称为罚函数.

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非线性规划

如果目标函数或约束条件中包含非线性函数，就称这种规划问题为非线性规划问 题。一般说来，解非线性规划要比解线性规划问题困难得多。而且，也不象线性规划有单纯形法这一通用方法，非线性规划目前还没有适于各种问题的一般算法，各个方法都有自己特定的适用范围。

如果线性规划的优解存在，其优解只能在其可行域的边界上达到（特别是可行 域的顶点上达到）；而非线性规划的优解（如果优解存在）则可能在其可行域的任意一点达到。

Matlab 中非线性规划的数学模型写成以下形式

其中 是非线性函数

Matlab 中的命令是

X=FMINCON(FUN,X0,A,B,Aeq,Beq,LB,UB,NONLCON,OPTIONS)

NONLCON 是用 M 文件定义的非线性向量函数

给出例子如下

求解程序：

当用迭代法求函数的极小点时，常常用到一维搜索，即沿某一已知方向求目标函数的极小点。一维搜索的方法很多，常用的有：

下面有两个通过不断地缩短区间[a,b]的长度，来搜索得到近似优解的两个方法。

迭代法大体上分为两点：一是用到函数的一阶导数或二阶导数， 称为解析法。另一是仅用到函数值，称为直接法。

带有约束条件的极值问题称为约束极值问题，也叫规划问题。 求解约束极值问题要比求解无约束极值问题困难得多。为了简化其优化工作，可采用以下方法：将约束问题化为无约束问题；将非线性规划问题化为线性规划问题，以及能将复杂问题变换为较简单问题的其它方法。 库恩—塔克条件是非线性规划领域中重要的理论成果之一，是确定某点为优点的必要条件，但一般说它并不是充分条件（对于凸规划，它既是优点存在的必要条件， 同时也是充分条件）。

若某非线性规划的目标函数为自变量 x的二次函数，约束条件又全是线性的，就称 这种规划为二次规划。

【例】求解如下的例子

【注意】要提出

利用罚函数法，可将非线性规划问题的求解， 转化为求解一系列无约束极值问题 ， 因而也称这种方法为序列无约束小化技术

罚函数法求解非线性规划问题的思想是，利用问题中的约束函数作出适当的罚函数，由此构造出带参数的增广目标函数，把问题转化为无约束非线性规划问题。主要有 两种形式，一种叫 外罚函数法 ，另一种叫 内罚函数法 ，下面介绍外罚函数法。

取一个充分大的数M0，构造函数如下：

直观上可以理解为若 则给这个目标函数一个很大的惩罚，而如果 则对该目标函数无影响.

或者写成：

【例】

或者写成矩阵形式：

其中的 min([x';zeros(1,2)]) 表示 都大于0

再在命令行中输入

可以看出两次的效果略有偏差。但是我们不满足于此，由于问题的规模较小，尝试使用 fmincon 求得精确得最优解

可以看出罚函数法虽然收敛速度快，但是精确度不是很高。当问题规模较大，不好求解时，可以考虑使用。

其中约束条件为：

当使用梯度求解上述问题时，效率更高并且结果更准确。 题目中目标函数的梯度为（对 分别求偏导数）：

在命令行中输入optimtool可以打开图形界面

对于上一个问题，只要选择方法（solver）后，在相应位置输入@fun10，@fun11，点击start就可以

罚函数法和拉格朗日乘子法的区别

一、作用不同：

惩罚函数法在M越来越大的情况下，函数F趋近于病态，乘子法克服这个缺点根据拉格朗日分解加了一个uih（x）M变为了c/2。

主要思想是引入一个新的参数λ(即拉格朗日乘子)，将约束条件函数与原函数联系到一起，使能配成与变量数量相等的等式方程。

二、定义不同：

基本的拉格朗日乘子法(又称为拉格朗日乘数法)，就是求函数f(x1,x2,)在g(x1,x2,)=0的约束条件下的极值的方法。

罚函数法是从非可行解出发逐渐移动到可行区域的方法。罚函数法在理论上是可行的，在实际计算中的缺点是罚因子M的取值难于把握，太小起不到惩罚作用;太大则由于误差的影响会导致错误。

三、使用方法不同：

在进化计算中，研究者选择外部罚函数法的原因主要是该方法不需要提供初始可行解。需要提供初始可行解则是内部罚函数法的主要缺点。由于进化算法应用到实际问题中可能存在搜索可行解就是NP难问题，因此这个缺点是非常致命的。

基本的拉格朗日乘子法就bai是求函数f(x1,x2,...)在约束条件g(x1,x2,...)=0下的极值的方法。其主要思想是将约束条件函数与原函数联立，从而求出使原函数取得极值的各个变量的解。

扩展资料：

如果这个实际问题的最大或最小值存在，一般说来驻点只有一个，于是最值可求。

条件极值问题也可以化为无条件极值求解，但有些条件关系比较复杂，代换和运算很繁，而相对来说“拉格朗日乘数法”不需代换，运算简单一点，这就是优势。

条件φ(x,y,z)一定是个等式，不妨设为φ(x,y,z)=m

则再建一个函数g(x,y,z)=φ(x,y,z)-m

g(x,y,z)=0以g(x,y,z)代替φ(x,y,z)

在许多极值问题中，函数的自变量往往要受到一些条件的限制，比如，要设计一个容积为 V的长方体形开口水箱，确定长、宽和高，使水箱的表面积最小.。设水箱的长、宽、高分别为 x,y,z， 则水箱容积V=xyz。

参考资料来源：百度百科-拉格朗日乘数法