26.4. 非线性规划
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了可分离规划和二次规划的多种解法,它们大都是以单纯形法为基础。50年代末到60年代末出现了
许多解非线性规划问题的有效的算法,70年代又得到进一步的发展。非线性规划在工程、管理、经
济、科研、军事等方面都有广泛的应用,为最优设计供了有力的工具。20世纪80年代以来,计算
机的飞速发展使非线性规划的研究如虎添翼,陆续诞生了信赖域法、稀疏拟牛顿法、内点法和有限
存储法,在大规模非线性问题求解与并行计算方面也取得长足的发展。
非线性规划数值算法大致可分为直接搜索算法和 间接搜索算法。直接搜索算法仅仅利
用目标函数值信息直接建立搜索求解的方法,无须借助目标函数的梯度信息,因此又称作
无梯度(Non-gradient)算法或零阶(Zeroth Order)算法。直接搜索算法包括随机搜索方
法(Random Search)、 网 格 搜 索 方 法 ( Grid Search)、 坐 标 轮 换 法 ( Univariate Search)[316]、
旋转坐标法(Rotating Coordinates)[317]、模式方向法(Pattern Direction)[318]、 Powell方
法[319]和Nelder-Mead法[320]。间接搜索算法需要利用一阶导数或黑塞矩阵(Hessian Matrix)信
息,故又称为基于梯度的方法,典型的包括最速下降法、共轭梯度法(Fletcher-Reeves)、牛顿法、
Marquardt方法、拟牛顿法、序列二次规划方法(Sequential Quadratic Programming, SQP)、 增
广拉格朗日方法(Augmented Lagrangian Method)和非线性内点法。非线性规划目前还没有适
用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。
26.4.1. 基本概念
由线性规划的性质我们知道,如果线性规划的最优解存在,其最优解只能在其可行域的边界上
(特别是可行域的顶点上)达到。非线性规划的最优解(如果存在)则可能在其可行域的任意一点
达到。
定义26.1 (极小值点). 给定集合S上的点ˆx,如果存在ε ≥ 0,对于任意的x ∈S,当∥x − ˆx∥≤ε时,
都有f(x) ≥ f(ˆx),则称ˆx是函数f 在S上的局局局部部部极极极小小小值值值点点点。如果对任意的x ∈ S,都有f(x) ≥ f(ˆx),
则ˆx是函数f在S上的全全全局局局极极极小小小值值值点点点。
定义26.2 (驻点、临界点、拐点、鞍点). 如果函数f在某点ˆx处不可微或f
′
(ˆx)=0,则称ˆx是临临临界界界点点点
(Critical Point), 对 应 函 数 值 称 作 是 临 界 值 。 如 果 函 数 是 一 阶 可 导 的 , 且 f
′
(ˆx)=0,则称点ˆx 是驻驻驻
点点点 ( Stationary Point)。 如 果 函 数 在 ˆx处由凹变凸或由凸变凹,则称ˆx是函数的一个拐拐拐点点点 (Inflection
Point),同时如果f(ˆx)=0,则称ˆx 是鞍鞍鞍点点点(Saddle Point)。
定理26.6 (费马定理). 给定函数f :(a, b) -→ R,如果ˆx ∈ (a, b)是f 的一个局部极值点,若f在ˆx处是可
微的,则f
′
(ˆx)=0。
定义26.3 (有效约束和无效约束). 假设x是非线性规划的一个可行解,它自然满足所有的约束。考
虑某不等式约束条件g
i
(x) ≥ 0。当g
i
(x)=0时,点x处于此约束条件形成的可行域边界上,约束条
件对点x的微小摄动构成限制,则称此约束条件是点x的有有有效效效约约约束束束(active); 反 之 , 当 g
i
(x) > 0时,
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