5.5 动态优化
5.5.1 Euler-Lagrange方程
在静态优化问题中,我们研究的是目标函数在可行域中的最值问题,其中自变量是可行域中的点。在动态优化问题中,我们研究的仍然是最值问题,但是自变量不再是点、而是函数,亦即在某个函数空间中找到使得目标“函数”取最大值的函数。这种将函数映射为实数的映射称为泛函,动态优化问题也称为泛函优化问题。
定义 5.5.1 (泛函)
设,为某个函数空间,称映射为泛函。
为了将函数映射为实数,泛函通常以积分的形式呈现。我们首先给出最常见的动态优化问题的定义:
定义 5.5.2 (动态优化)
动态优化问题是指求解
其中
为目标泛函,为边界条件。
解决该类问题的基本方法是变分法,其核心思想是:假设为最优解,考虑在附近的函数,其中为足够小的正数,为任意满足边界条件的扰动函数,即
对于本例而言,实际上有。考虑扰动后的目标泛函
对求导可得
为了消除,我们对上式中的第二项进行分部积分,结合边界条件可得
代入原式可得
令可得
由于为最优解,故在处取得极大值,亦即在处取得极大值,由此可得
结合的任意性,可得著名的Euler-Lagrange方程,即动态优化问题的一阶必要条件:
定理 5.5.3 (Euler-Lagrange方程)
设为动态优化问题的最优解,则满足Euler-Lagrange方程
5.5.2 变分法
为了更好地解决动态优化问题,我们引入变分的概念,即满足边界条件的函数值的微小变化(扰动函数),定义为
定义 5.5.4 (变分)
设函数均满足某边界条件,称为的变分。
在上例中,即为的变分,满足。类似微分
泛函的变分定义为
定义 5.5.5
设为泛函,的变分为,称
为的变分。在不引起歧义的情况下,通常可以省略。
对于多元泛函而言,容易证明
需要特别注意的是,和通常视作两个独立的变分。
类似方向导数形式的多元一阶Taylor展开式:
泛函的变分也可以表示为
因此,函数的变分的几何意义类似于方向,表示“沿着方向移动的函数自变量”;而泛函的变分的几何意义类似于方向导数的值,表示“沿着方向移动的泛函值变化率”。
可以证明,变分具有以下性质:
定理 5.5.6 (变分的性质)
-
(1)
-
,其中为常数。
-
(2)
-
,。
-
(3)
-
。
-
(4)
-
,其中。
-
(5)
-
变分与微分可交换,即,由此可得
上式常用于变分法的分部积分中。
-
(6)
-
变分与(定限)积分可交换,即
对于上例中的动态优化问题,我们可以用变分重新推导Euler-Lagrange方程:
当为的极大(小)值时,在的邻域内应成立,其中为满足边界条件的任意变分。不妨设为的极大值点(否则考虑),设,取特殊的可得
因此
5.5.3 变分法的应用
我们介绍两个经典的例子。
例 5.5.7 (两点之间线段最短)
设平面上两点,求连接的线段中长度最短的曲线。
解
设曲线方程为,则曲线长度为
由Euler-Lagrange方程可得
故,其中为常数。解得,其中为常数,故最短曲线为直线段。
例 5.5.8 (最速降线)
设平面上两点,求连接的曲线,使得质点在重力作用下沿该曲线从到所需时间最短。
解
设曲线方程为,则质点在曲线上的速度为
故质点从到所需时间为
由于不显含,由Euler-Lagrange方程可得
故有
其中为常数,解得
作变量代换,则有
其中为常数。取正号并结合边界条件可得
上式即为最速降线的参数方程,其为摆线的一部分。